LUCA CASTELLI

PhD Graduate

PhD program:: XXXVIII



Thesis title: Machine-Detector Interface Optimization for a √s = 3 TeV Muon Collider

This thesis addresses the optimization of the Machine-Detector Interface (MDI) for a Muon Collider operating at a center-of-mass energy of 3 TeV. The central focus is the design of the shielding nozzle, a critical component for mitigating Beam-Induced Backgrounds (BIB). The BIB arises from the interactions of secondary particles—mainly photons, neutrons, and electrons—produced by electromagnetic showers initiated by electrons and positrons originating from muon decays along the beamline. A detailed characterization of this background was carried out through high-statistics FLUKA simulations, followed by an extensive study of how key geometrical parameters of the shielding influence the background flux. Due to the significant computational cost of full simulations, a Machine Learning–based strategy was developed to guide the design process. A surrogate model was trained to reproduce the simulation output, enabling rapid evaluation of new configurations. A custom metric was introduced to balance background suppression with geometric acceptance, and a deep learning model was employed to identify the optimal nozzle design. The resulting geometry preserves strong shielding performance while reducing material volume, offering a promising solution for the MDI of future muon colliders.

Research products

11573/1734664 - 2025 - Interim report for the international muon collider collaboration
Accettura, Carlotta; Adrian, Simon; Agarwal, Rohit; Ahdida, Claudia; Aimé, Chiara; Aksoy, Avni; Luigi Alberghi, Gian; Alden, Siobhan; Alfonso, Luca; Amapane, Nicola; Amorim, David; Andreetto, Paolo; Anulli, Fabio; Appleby, Rob; Apresyan, Artur; Asadi, Pouya; Attia Mahmoud, Mohammed; Auchmann, Bernhard; Back, John; Badea, Anthony; Jung Bae, Kyu; Bahng, E. J.; Balconi, Lorenzo; Balli, Fabrice; Bandiera, Laura; Barbagallo, Carmelo; Barlow, Roger; Bartoli, Camilla; Bartosik, Nazar; Barzi, Emanuela; Batsch, Fabian; Bauce, Matteo; Begel, Michael; Scott Berg, J.; Bersani, Andrea; Bertarelli, Alessandro; Bertinelli, Francesco; Bertolin, Alessandro; Bhat, Pushpalatha; Bianchi, Clarissa; Bianco, Michele; Bishop, William; Black, Kevin; Boattini, Fulvio; Bogacz, Alex; Bonesini, Maurizio; Bordini, Bernardo; Borges De Sousa, Patricia; Bottaro, Salvatore; Bottura, Luca; Boyd, Steven; Breschi, Marco; Broggi, Francesco; Brunoldi, Matteo; Buffat, Xavier; Buonincontri, Laura; Nicholas Burrows, Philip; Campbell Burt, Graeme; Buttazzo, Dario; Caiffi, Barbara; Calatroni, Sergio; Calviani, Marco; Calzaferri, Simone; Calzolari, Daniele; Cantone, Claudio; Capdevilla, Rodolfo; Carli, Christian; Carrelli, Carlo; Casaburo, Fausto; Casarsa, Massimo; Castelli, Luca; Gabriella Catanesi, Maria; Cavallucci, Lorenzo; Cavoto, Gianluca; Giovanni Celiberto4, Francesco; Celona, Luigi; Cemmi, Alessia; Ceravolo, Sergio; Cerri, Alessandro; Cerutti, Francesco; Cesarini, Gianmario; Cesarotti, Cari; Chancé, Antoine; Charitonidis, Nikolaos; Chiesa, Mauro; Chiggiato, Paolo; Ciccarella, Vittoria Ludovica; Cioli Puviani, Pietro; Colaleo, Anna; Colao, Francesco; Collamati, Francesco; Costa, Marco; Craig, Nathaniel; Curtin, David; Damerau, Heiko; Da Molin, Giacomo; D’Angelo, Laura; Dasu, Sridhara; De Blas, Jorge; De Curtis, Stefania; De Gersem, Herbert; Delahaye, Jean-Pierre; Del Moro, Tommaso; Denisov, Dmitri; Denizli, Haluk; Dermisek, Radovan; Desiré Valdor, Paula; Desponds, Charlotte; Di Luzio, Luca; Di Meco, Elisa; Diociaiuti, Eleonora; Folan Di Petrillo, Karri; Di Sarcina, Ilaria; Dorigo, Tommaso; Dreimanis, Karlis; Du Pree, Tristan; Duran Yildiz, Hatice; Edgecock, Thomas; Fabbri, Siara; Fabbrichesi, Marco; Farinon, Stefania; Ferrand, Guillaume; Antonio Ferreira Somoza, Jose; Fieg, Max; Filthaut, Frank; Fox, Patrick; Franceschini, Roberto; Franqueira Ximenes, Rui; Gallinaro, Michele; Garciasciveres, Maurice; Garcia-Tabares, Luis; Gargiulo, Ruben; Garion, Cedric; Vittoria Garzelli, Maria; Gast, Marco; Generoso, Lisa; Gerber, Cecilia E.; Giambastiani, Luca; Gianelle, Alessio; Gianfelice-Wendt, Eliana; Gibson, Stephen; Gilardoni, Simone; Augusto Giove, Dario; Giovinco, Valentina; Giraldin, Carlo; Glioti, Alfredo; Gorzawski, Arkadiusz; Greco, Mario; Grojean, Christophe; Grudiev, Alexej; Gschwendtner, Edda; Gueli, Emanuele; Guilhaudin, Nicolas; Han, Chengcheng; Han, Tao; Michael Hauptman, John; Herndon, Matthew; D Hillier, Adrian; Hillman, Micah; Ray Holmes, Tova; Homiller, Samuel; Jana, Sudip; Jindariani, Sergo; Johannesson, Sofia; Johnson, Benjamin; Rhodri Jones, Owain; Jurj, Paul-Bogdan; Kahn, Yonatan; Kamath, Rohan; Kario, Anna; Karpov, Ivan; Kelliher, David; Kilian, Wolfgang; Kitano, Ryuichiro; Kling, Felix; Kolehmainen, Antti; Kong, K. C.; Kosse, Jaap; Krintiras, Georgios; Krizka, Karol; Kumar, Nilanjana; Kvikne, Erik; Kyle, Robert; Laface, Emanuele; Lancellotti, Michela; Lane, Kenneth; Latina, Andrea; Lechner, Anton; Lee, Junghyun; Lee, Lawrence; Wook Lee, Seh; Lefevre, Thibaut; Leonardi, Emanuele; Lerne, Giuseppe; Li, Peiran; Li, Qiang; Li, Tong; Li, Wei; Lindroos, Mats; Lipton, Ronald; Liu, Da; Liu, Miaoyuan; Liu, Zhen; Li Voti, Roberto; Lombardi, Alessandra; Lomte, Shivani; Long, Kenneth; Longo, Luigi; Lorenzo, José; Losito, Roberto; Low, Ian; Lu, Xianguo; Lucches, Donatella; Luo, Tianhuan; Lupato, Anna; Ma, Yang; Machida, Shinji; Madlener, Thomas; Magaletti, Lorenzo; Maggi, Marcello; Mainaud Durand, Helene; Maltoni, - 03a Saggio, Trattato Scientifico

11573/1722516 - 2024 - Erratum: towards a muon collider (the European physical journal C, (2023), 83, 9, (864), 10.1140/epjc/s10052-023-11889-x)
Accettura, C.; Adams, D.; Agarwal, R.; Ahdida, C.; Aime, C.; Amapane, N.; Amorim, D.; Andreetto, P.; Anulli, F.; Appleby, R.; Apresyan, A.; Apyan, A.; Arsenyev, S.; Asadi, P.; Mahmoud, M. A.; Azatov, A.; Back, J.; Balconi, L.; Bandiera, L.; Barlow, R.; Bartosik, N.; Barzi, E.; Batsch, F.; Bauce, M.; Berg, J. S.; Bersani, A.; Bertarelli, A.; Bertolin, A.; Black, K.; Boattini, F.; Bogacz, A.; Bonesini, M.; Bordini, B.; Bottaro, S.; Bottura, L.; Braghieri, A.; Breschi, M.; Bruhwiler, N.; Buffat, X.; Buonincontri, L.; Burrows, P. N.; Burt, G.; Buttazzo, D.; Caiffi, B.; Calviani, M.; Calzaferri, S.; Calzolari, D.; Capdevilla, R.; Carli, C.; Casaburo, F.; Casarsa, M.; Castelli, L.; Catanesi, M. G.; Cavallucci, L.; Cavoto, G.; Celiberto, F. G.; Celona, L.; Cerri, A.; Cesarini, G.; Cesarotti, C.; Chachamis, G.; Chance, A.; Chen, S.; Chien, Y. -T.; Chiesa, M.; Colaleo, A.; Collamati, F.; Collazuol, G.; Costa, M.; Craig, N.; Curatolo, C.; Curtin, D.; Da Molin, G.; Dam, M.; Damerau, H.; Dasu, S.; De Blas, J.; De Curtis, S.; De Matteis, E.; De Rosa, S.; Delahaye, J. -P.; Denisov, D.; Denizli, H.; Densham, C.; Dermisek, R.; Di Luzio, L.; Di Meco, E.; Di Micco, B.; Dienes, K.; Diociaiuti, E.; Dorigo, T.; Dudarev, A.; Edgecock, R.; Errico, F.; Fabbrichesi, M.; Farinon, S.; Ferrari, A.; Somoza, J. A. F.; Filthaut, F.; Fiorina, D.; Fol, E.; Forslund, M.; Franceschini, R.; Ximenes, R. F.; Gabrielli, E.; Gallinaro, M.; Garosi, F.; Giambastiani, L.; Gianelle, A.; Gilardoni, S.; Giove, D. A.; Giraldin, C.; Glioti, A.; Greco, M.; Greljo, A.; Groeber, R.; Grojean, C.; Grudiev, A.; Gu, J.; Han, C.; Han, T.; Hauptman, J.; Henning, B.; Hermanek, K.; Herndon, M.; Holmes, T. R.; Homiller, S.; Huang, G.; Jana, S.; Jindariani, S.; Jurj, P. B.; Kahn, Y.; Karpov, I.; Kelliher, D.; Kilian, W.; Kolehmainen, A.; Kong, K.; Koppenburg, P.; Kreher, N.; Krintiras, G.; Krizka, K.; Krnjaic, G.; Kuchma, B. T.; Kumar, N.; Lechner, A.; Lee, L.; Li, Q.; Voti, R. L.; Lipton, R.; Liu, Z.; Lomte, S.; Long, K.; Gomez, J. L.; Losito, R.; Low, I.; Lu, Q.; Lucchesi, D.; Ma, L.; Ma, Y.; Machida, S.; Maltoni, F.; Mandurrino, M.; Mansoulie, B.; Mantani, L.; Marchand, C.; Mariotto, S.; Martin-Haugh, S.; Marzocca, D.; Mastrapasqua, P.; Mauro, G.; Mazzolari, A.; Mcginnis, N.; Meade, P.; Mele, B.; Meloni, F.; Mentink, M.; Merlassino, C.; Metral, E.; Miceli, R.; Milas, N.; Mokhov, N.; Montella, A.; Mulder, T.; Musenich, R.; Nardecchia, M.; Nardi, F.; Neufeld, N.; Neuffer, D.; Novelli, D.; Onel, Y.; Orestano, D.; Paesani, D.; Griso, S. P.; Palmer, M.; Panci, P.; Panico, G.; Paparella, R.; Paradisi, P.; Passeri, A.; Pastrone, N.; Pellecchia, A.; Piccinini, F.; Portone, A.; Potamianos, K.; Prioli, M.; Quettier, L.; Radicioni, E.; Radogna, R.; Rattazzi, R.; Redigolo, D.; Reina, L.; Resseguie, E.; Reuter, J.; Ribani, P. L.; Riccardi, C.; Ricci, L.; Ricciardi, S.; Ristori, L.; Robens, T. N.; Rodejohann, W.; Rogers, C.; Romagnoni, M.; Ronald, K.; Rossi, L.; Ruiz, R.; Queiroz, F. S.; Sala, F.; Salko, J.; Salvini, P.; Salvioni, E.; Santiago, J.; Sarra, I.; Esteban, F. J. S.; Schieck, J.; Schulte, D.; Selvaggi, M.; Senatore, C.; Senol, A.; Sertore, D.; Sestini, L.; Sharma, V.; Shiltsev, V.; Shu, J.; Simone, F. M.; Simoniello, R.; Skoufaris, K.; Sorbi, M.; Sorti, S.; Stamerra, A.; Stapnes, S.; Stark, G. H.; Statera, M.; Stechauner, B.; Stolarski, D.; Stratakis, D.; Su, S.; Su, W.; Sumensari, O.; Sun, X.; Sundrum, R.; Swiatlowski, M. J.; Sytov, A.; Tait, T. M. P.; Tang, J.; Tang, J.; Tesi, A.; Testoni, P.; Thomas, B.; Thompson, E. A.; Torre, R.; Tortora, L.; Tortora, L.; Trifinopoulos, S.; Vai, I.; Valente, M.; Valente, R. U.; Valenti, A.; Valle, N.; Rienen, U.; Venditti, R.; Verweij, A.; Verwilligen, P.; Vittorio, L.; Vitulo, P.; Wang, L.; Weber, H.; Wozniak, M.; Wu, R.; Wu, Y.; Wulzer, A.; Xie, K.; Yamamoto, A.; Yang, Y.; Yonehara, K.; Yoon, S.; Zaza, A.; Zhao, X.; Zlobin, A.; Zuliani, D.; Zurita, J. - 01a Articolo in rivista
paper: THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS (Germany: Springer Verlag Germany) pp. - - issn: 1434-6044 - wos: WOS:001184499100001 (8) - scopus: 2-s2.0-85182466563 (21)

11573/1689214 - 2023 - Towards a muon collider
Accettura, Carlotta; Adams, Dean; Agarwal, Rohit; Ahdida, Claudia; Aimè, Chiara; Amapane, Nicola; Amorim, David; Andreetto, Paolo; Anulli, Fabio; Appleby, Robert; Apresyan, Artur; Apyan, Aram; Arsenyev, Sergey; Asadi, Pouya; Mahmoud, Mohammed Attia; Azatov, Aleksandr; Back, John; Balconi, Lorenzo; Bandiera, Laura; Barlow, Roger; Bartosik, Nazar; Barzi, Emanuela; Batsch, Fabian; Bauce, Matteo; Berg, J. Scott; Bersani, Andrea; Bertarelli, Alessandro; Bertolin, Alessandro; Black, Kevin; Boattini, Fulvio; Bogacz, Alex; Bonesini, Maurizio; Bordini, Bernardo; Bottaro, Salvatore; Bottura, Luca; Braghieri, Alessandro; Breschi, Marco; Bruhwiler, Natalie; Buffat, Xavier; Buonincontri, Laura; Burrows, Philip N.; Burt, Graeme; Buttazzo, Dario; Caiffi, Barbara; Calviani, Marco; Calzaferri, Simone; Calzolari, Daniele; Capdevilla, Rodolfo; Carli, Christian; Casaburo, Fausto; Casarsa, Massimo; Castelli, Luca; Catanesi, Maria Gabriella; Cavallucci, Lorenzo; Cavoto, Gianluca; Celiberto, Francesco Giovanni; Celona, Luigi; Cerri, Alessandro; Cesarini, Gianmario; Cesarotti, Cari; Chachamis, Grigorios; Chance, Antoine; Chen, Siyu; Chien, Yang-Ting; Chiesa, Mauro; Colaleo, Anna; Collamati, Francesco; Collazuol, Gianmaria; Costa, Marco; Craig, Nathaniel; Curatolo, Camilla; Curtin, David; Da Molin, Giacomo; Dam, Magnus; Damerau, Heiko; Dasu, Sridhara; De Blas, Jorge; De Curtis, Stefania; De Matteis, Ernesto; De Rosa, Stefania; Delahaye, Jean-Pierre; Denisov, Dmitri; Denizli, Haluk; Densham, Christopher; Dermisek, Radovan; Di Luzio, Luca; Di Meco, Elisa; Di Micco, Biagio; Dienes, Keith; Diociaiuti, Eleonora; Dorigo, Tommaso; Dudarev, Alexey; Edgecock, Robert; Errico, Filippo; Fabbrichesi, Marco; Farinon, Stefania; Ferrari, Anna; Somoza, Jose Antonio Ferreira; Filthaut, Frank; Fiorina, Davide; Fol, Elena; Forslund, Matthew; Franceschini, Roberto; Ximenes, Rui Franqueira; Gabrielli, Emidio; Gallinaro, Michele; Garosi, Francesco; Giambastiani, Luca; Gianelle, Alessio; Gilardoni, Simone; Giove, Dario Augusto; Giraldin, Carlo; Glioti, Alfredo; Greco, Mario; Greljo, Admir; Groeber, Ramona; Grojean, Christophe; Grudiev, Alexej; Gu, Jiayin; Han, Chengcheng; Han, Tao; Hauptman, John; Henning, Brian; Hermanek, Keith; Herndon, Matthew; Holmes, Tova Ray; Homiller, Samuel; Huang, Guoyuan; Jana, Sudip; Jindariani, Sergo; Jurj, Paul Bogdan; Kahn, Yonatan; Karpov, Ivan; Kelliher, David; Kilian, Wolfgang; Kolehmainen, Antti; Kong, Kyoungchul; Koppenburg, Patrick; Kreher, Nils; Krintiras, Georgios; Krizka, Karol; Krnjaic, Gordan; Kuchma, Benjamin T.; Kumar, Nilanjana; Lechner, Anton; Lee, Lawrence; Li, Qiang; Voti, Roberto Li; Lipton, Ronald; Liu, Zhen; Lomte, Shivani; Long, Kenneth; Gomez, Jose Lorenzo; Losito, Roberto; Low, Ian; Lu, Qianshu; Lucchesi, Donatella; Ma, Lianliang; Ma, Yang; Machida, Shinji; Maltoni, Fabio; Mandurrino, Marco; Mansoulie, Bruno; Mantani, Luca; Marchand, Claude; Mariotto, Samuele; Martin-Haugh, Stewart; Marzocca, David; Mastrapasqua, Paola; Mauro, Giorgio; Mazzolari, Andrea; Mcginnis, Navin; Meade, Patrick; Mele, Barbara; Meloni, Federico; Mentink, Matthias; Merlassino, Claudia; Metral, Elias; Miceli, Rebecca; Milas, Natalia; Mokhov, Nikolai; Montella, Alessandro; Mulder, Tim; Musenich, Riccardo; Nardecchia, Marco; Nardi, Federico; Neufeld, Niko; Neuffer, David; Novelli, Daniel; Onel, Yasar; Orestano, Domizia; Paesani, Daniele; Griso, Simone Pagan; Palmer, Mark; Panci, Paolo; Panico, Giuliano; Paparella, Rocco; Paradisi, Paride; Passeri, Antonio; Pastrone, Nadia; Pellecchia, Antonello; Piccinini, Fulvio; Portone, Alfredo; Potamianos, Karolos; Prioli, Marco; Quettier, Lionel; Radicioni, Emilio; Radogna, Raffaella; Rattazzi, Riccardo; Redigolo, Diego; Reina, Laura; Resseguie, Elodie; Reuter, Jürgen; Ribani, Pier Luigi; Riccardi, Cristina; Ricci, Lorenzo; Ricciardi, Stefania; Ristori, Luciano; Robens, Tania Natalie; Rodejohann, Werner; Rogers, Chris; Romagnoni, Marco; Ronald, Kevin; Rossi, Lucio; - 01a Articolo in rivista
paper: EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS (Heidelberg ; Berlin : Springer) pp. - - issn: 1434-6052 - wos: WOS:001191052200001 (177) - scopus: 2-s2.0-85172792797 (211)

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