Advanced modeling for studying antineutrinos and gamma rays coming from the Earth

This thesis presents the scientific challenges and the goals of my research activity supporting the advanced modeling for the spatial analysis of gamma-ray data and for the predictions of geoneutrinos signal. These two topics, based on different measurements techniques and fields of view, are apparently distant but both make the natural radioactivity a probe for the study of the properties of Earth's surface and interior. I dealt the problematic aspects related to the numerical and cartographic modeling at different scales and I proposed operative solutions regarding mainly the study of statistical distributions, the treatment of the input and output uncertainties and the combination of multivariate information. These studies gave me the opportunity to take part in the scientific debate that tries to answer to the still open questions about the formation and composition of our planet. The contents of this thesis are included in 6 published works realized with the involvement of about 30 coauthors, geologists and physicists, from different istitutions in the world. In each chapter a specific case study is presented from a particular point of view shedding light on my contribution. The study of heat producing elements and the previsions of their distribution are key-points for the understanding of local geological processes affecting the crust as well as for the investigation of environmental radioactivity. The map of terrestrial natural radioactivity of the Veneto region (Italy) was obtained on the basis of an integrated gamma-ray dataset composed by laboratory measurements performed on rock samples and airborne measurements. I integrated these two different types of data in a unique cartographic product, using suitable geostatistical algorithms based on the distinctive geological and morphological features of the investigated areas. The different contributions of the uncertainties were widely faced in case study in the Northeastern Sardinia in which the uranium distribution map comes from a very refined radiometric investigation realized with two different γ-ray spectroscopy measurements methods, characterized by heterogeneous measurement errors. Taking on this challenge, I applied a particular geostatistical method that permitted to analyze the input and the output uncertainties. In the case of airborne gamma ray survey of Elba Island, a multivariate spatial interpolation was used for obtaining the radiometric maps using the geological map as a constraint. I dealt with the complex aspects of correlating quantitative data (γ-ray measurements) with the qualitative information of the geological map. The strong correlation between geological information and radioactivity content was emphasized in the extensive survey in one of the most important oil productive regions (Vlora-Elbasan) in Albania for the assessment of Naturally Occurring Radioactive Materials. I participated to the analysis of the activity concentrations measurements based on geological and geochemical arguments. The discrimination of the lithologic features of the oil fields and the test of geodynamic models can result strategic issues for the planning of the future radiological assessment of the region. Combining experimental results of geoneutrino signals at operating and future experiments, can place better constraints on the mantle signal and in turn on its composition. In this perspective a deep understanding of the continental crust, in particular the region immediately surrounding the detector, is mandatory. In this framework a detailed 3D model compiled from geological, geophysical, and geochemical information provided the estimation of the geoneutrino flux expected at the SNO+ detector (Canada). I developed the geophysical construction of a 3D structural model of the region, dealing with the related aspects to the complexity of the modeling the prediction of the geoneutrino flux. Moreover I performed the first estimation of the geoneutrino signal expected at JUNO, a liquid scintillation detector that will be built in China, together with a prediction of the expected reactor antineutrino signal. The experiment will be located very close to two planned nuclear plants in order to study the neutrino mass hierarchy, which is the last missing ingredient in the neutrino puzzle. I produced the geoneutrino spectra and the relative uncertainties providing a result that will be a reference point and a guide for future refinements. These studies reflect the melting of three fundamental scientific disciplines: Particle physics, Earth science and Statistics. Their interconnection reveals a great potential for advancing the frontiers of knowledge. I had to deal with specific problems that necessarily emerge when different, but not distant, fields of science are called to interact. 

In questa tesi sono presentate le sfide scientifiche e i risultati dell'attività ricerca svolta durante il corso di dottorato a supporto della modellazione avanzata per l'analisi spaziale di dati di spettroscopia gamma e per la stima dei segnali di geoneutrini. Questi due argomenti, apparentemente distanti, sono in realtà strettamente connessi: in entrambi i casa la radioattività naturale rappresenta uno strumento per lo studio delle proprietà della superficie e dell'interno della Terra. In particolare ho trattato gli aspetti problematici relativi alla modellazione numerica e cartografica a differenti scale e ho proposto soluzioni operative riguardanti lo studio delle distribuzioni statistiche, il trattamento delle incertezze di input e output e la combinazione di informazioni multivariate. Questi studi mi hanno dato l'opportunità di prender parte al dibattito scientifico che cerca di rispondere alle domande ancora aperte sulla formazione e la composizione del nostro pianeta. I contenuti di questa tesi sono inclusi in 6 studi pubblicati, la cui realizzazione ha visto il coinvolgimento di circa 30 coautori, tra geologi e fisici, provenienti da diverse istituzioni di ricerca di rilevanza internazionale. In ogni capitolo uno specifico caso di studio è presentato e trattato da un particolare punto di vista in modo da mettere in luce il mio contributo. Lo studio degli elementi radiogenici e le previsioni sulla loro distribuzione sono elementi chiave per la comprensione dei processi geologici locali che interessano la crosta così come per lo studio della radioattività ambientale. La mappa della radioattività naturale terrestre della regione Veneto è stata ottenuta sulla base di un dataset integrato di spettroscopia gamma costituito da misure in laboratorio su campioni di roccia e misure airborne. In particolare ho integrato questi due differenti tipi di dati in un unico prodotto cartografico, usando algoritmi geostatistici adatti alle caratteristiche geologiche e morfologiche pecualiari delle aree investigate. I differenti contributi delle incertezze sono stati ampiamente discussi nel caso di studio nel Nord-Est della Sardegna. In questo lavoro la mappa di distribuzione dell'uranio è stata ottenuta sulla base di un dettagliato studio radiometrico realizzato con due differenti tecniche di spettroscopia gamma, caratterizzati da differenti errori di misura. Affrontando questa sfida, ho applicato un particolare metodo geostatistico che ha permesso di analizzare le incertezze di input e di output. Nel caso del rilievo gamma airborne dell'isola d'Elba, è stata usata un'interpolazione spaziale multivariata per ottenere le mappe radiometriche adottando la carta geologica come informazione a priori. In quest'ambito ho trattato gli aspetti complessi della correlazione di dati quantitativi (misure gamma) con le informazioni qualitative geologiche. La forte correlazione tra informazioni geologiche e contenuto di radioattività è stata enfatizzata nell'indagine approfondita condotta in una delle regioni più produttive di petrolio in Albania (Vlora-Elbasan) per la valutazione dei NORM (Naturally Occurring Radioactive Materials). Ho partecipato all'analisi delle misure di concentrazione di attività basata su argomentazioni geologiche e geochimiche. La caratterizzazione litologica delle aree petrolifere risulterà di importanza strategica per la pianificazione di future valutazioni radiologiche della regione. La combinazione dei risultati sperimentali dei segnali di geoneutrini da esperimenti in corso e futuri, può porre vincoli stringenti sul segnale atteso dal mantello e di conseguenza sulla sua composizione. In questa prospettiva una profonda conoscenza della crosta continentale, ed in particolare della regione immediatamente vicina al detector, è imprescindibile. In questo contesto, un dettagliato modello 3D derivante da informazioni geologiche, geofisiche e geochimiche è stato realizzato per stimare il flusso dei geoneutrini atteso al detector SNO+ (Canada). In particolare ho sviluppato un modello 3D strutturale della regione, trattando gli aspetti relativi alla complessità della modellazione del flusso di geoneutrini. Inoltre ho partecipato allo studio che ha portato alla prima stima del segnale dei geoneutrini atteso a JUNO, un rivelatore a scintillatore liquido attualmente in costruzione in Cina, insieme alla stima del segnale atteso degli antineutrini da reattore. La posizione dell'esperimento, molto vicina a due centrali nucleari progettate, riflette il principale goal scientifico di JUNO, ovvero lo studio della gerarchia di massa sulla base delle misure di antineutrini da reattore. In quest'ambito ho prodotto gli spettri dei geoneutrini e le relative incertezze fornendo un risultato che sarà un punto di riferimento e una guida per gli studi futuri. Questi studi riflettono l'interazione di tre discipline scientifiche fondamentali: la Fisica delle particelle, le Scienze della Terra e la Statistica. La loro interconnessione rivela un grande potenziale per il superamento delle frontiere della conoscenza. Ho trattato in prima persona i problemi specifici che nascono necessariamente quando differenti, ma non distanti, campi scientifici sono chiamati ad interagire.