Elementary Particle Physics
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Bachelor Theses Topics in Experimental Particle Physics

As the bachelor level at LMU is offered in German the descriptions will follow in German as well.

Das aktuelle SoSe2017-Angebot von Themen für Bachelorarbeit ist auch unter diesem Link als PDF verfügbar.

Übersicht

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Ausbildungsprogramm

Wir bieten im Sommersemester 2017 in der experimentellen Elementarteilchenphysik ein integriertes Programm, das Ihnen einen vielseitigen Einblick in unsere Forschungsarbeiten gibt. Im Zentrum des Programms stehen Bachelorarbeiten mit engem Bezug zu Forschungsthemen des ATLAS-Experiments am Large Hadron Collider am Forschungszentrum CERN in Genf und des Belle II-Experiments am Beschleunigerzentrum KEK in Japan. Wir möchten Ihnen hierbei Einblicke vermitteln in die physikalischen Ziele und Analysemethoden der Experimente, in Detektorkonzepte und die Entwicklung neuer Detektorkomponenten und in Grid-Computing als innovative Technologie der Datenverarbeitung in der Teilchenphysik. Elemente unseres Programms sind:

  • Wahlpflichtlehrveranstaltung des Moduls V für Bachelor-Studenten (3+1 SWS, 6 ECTS Punkte):
    ‘Advanced Course in Particle Physics for Bachelor Students’
    • Teil I: Datenanalyse in der Teilchenphysik
      Dieser Kurs ist eine grundlegende Einführung zur Darstellung und statistischen Auswertung experimenteller Daten, zur Modellierung elementarer Teilchenreaktionen, zur Simulation von Detektoren und des Teilchennachweises und zur Rekonstruktion der Primärreaktion aus einem komplexen Ereignismuster. Die Teilnahme am Teil I dieses Kurses (24.04.-28.4.2017 ganztägig) ist verpflichtend für alle Bachelor-Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik
    • Teil II: Vertiefungsvorlesung Teilchenphysik
      Teil II vertieft die Konzepte der Elementarteilchenphysik und des experimentellen Nachweises spezieller Ereignistopologien. Vorlesung und Übungen finden begleitend zur 10-wöchigen Bachelor-Arbeit statt. Die Teilnahme am Teil II dieses Kurses wird allen Bachelor-Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik empfohlen.
      Die Teilnahme an einer Klausur zu Teil I und Teil II des Kurses ist Voraussetzung für den Erwerb von 6 ECTS Punkten im Bereich der Wahlpflichtveranstaltungen des Moduls V.
  • Physikalisches Seminar: Moderne Aspekte der Teilchenphysik
    Dieses Seminar findet wöchentlich begleitend zur Bachelor-Arbeit statt. Die Teilnahme am Seminar wird allen Bachelor-Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik empfohlen, Voraussetzung für den Erwerb von 3 ECTS Punkten ist die aktive Teilnahme und ein Referat.
  • Eine betreute Bachelor-Arbeit (12 ECTS Punkte, 02.05.-14.07.2017, die Zeitspanne entspricht einer Bearbeitungszeit von 10 Wochen unter Berücksichtigung von Feiertagen und vorlesungsfreien Tagen) mit aktuellem Bezug zu unseren Forschungsarbeiten zu einem der nachfolgend aufgeführten Themen.

Weiterhin haben Sie bei uns in Garching die Möglichkeit an einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Veranstaltungen in unserem Forschungsumfeld im Rahmen des ‘BMBF Forschungsschwerpunkts FSP-103 ATLAS’, des Exzellenzclusters ‘Origin and Structure of the Universe’, der HGF-Allianz ‘Physics at the Terascale’, des Maier-Leibnitz-Laboratoriums und der ‘Munich Particle Physics School’ teilzunehmen.

Ansprechpersonen: Wenn Sie Fragen zum Programm haben, oder wenn Sie sich bei der Auswahl der angebotenen Themenbereiche beraten lassen wollen, wenden Sie sich bitte an:

Prof. Dr. Otmar Biebel
Prof. Dr. Thomas Kuhr
Prof. Dr. Dorothee Schaile

Wenn Sie Interesse an oder Fragen zu einem spezifischen Thema haben, können Sie sich auch direkt an die angegebenen Kontaktpersonen wenden.

Suche nach Supersymmetrie

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Mit der Entdeckung eines Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) am CERN im Juli 2012 wurde der letzte fehlende Baustein des Standardmodells experimentell nachgewiesen. Doch trotz seines Erfolgs kann das Standardmodell nicht alle Beobachtungen erklären. Ein prominentes Beispiel ist die Dunkle Materie, die im Standardmodell nicht enthalten ist. Es sind daher Theorien nötig, die über das Standardmodell hinausgehen. Supersymmetrie (SUSY) ist eine solche, sehr gut motivierte Erweiterung, in der jedem Fermion ein neues bosonisches Partnerteilchen zugeordnet wird und jedem Boson ein neues Fermion, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Hierdurch kann nicht nur die Existenz der Dunklen Materie auf natürliche Weise erklärt werden, sondern es lassen sich auch einige andere Konsistenzprobleme des Standardmodells beheben.
Mit dem erfolgreichen Neustart des LHC im Jahr 2015 bietet sich eine noch nie da gewesene Gelegenheit für eine Vielzahl von Teilchensuchen, da sich die Produktionsraten für neue erwartete Teilchen mit hohen Massen beim Wechsel von 8 auf 13 TeV relativ zum Untergrund um ein Vielfaches erhöhen, was zu einer deutlich höheren Sensitivität der Analysen führt.
In unserer Arbeitsgruppe bieten wir eine Reihe von Themen an, die unterschiedliche Aspekte auf dem Gebiet der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells abdecken. Weitere Themen sind nach aktueller Themenlage in individueller Absprache möglich.

Suche nach schweren langlebigen geladenen Teilchen

In einer Vielzahl supersymmetrischer Modelle werden neue Teilchen vorhergesagt, deren Lebenszeit lang genug ist, den Detektor zu erreichen und gegebenenfalls zu durchdringen. Die Suche nach diesen Teilchen ist zu großen Teilen orthogonal zu “klassischen” SUSY-Suchen und stellt eine besondere experimentelle Herausforderung dar. Im Gegensatz zum Groteil der Suchen am Large Hadron Collider, die mit Hilfe der Rekonstruktion von Zerfallsprodukten arbeiten, betrachten wir Modelle in denen hypothetische neue Teilchen selbst ein Signal im Detektor hinterlassen. Dies erfordert die Entwicklung bzw. Optimierung spezieller Rekonstruktionsmethoden und Simulationen zur Charakterisierung von Teilchen, die sich zum Teil deutlich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Im Rahmen von mehreren Bachelorarbeiten wollen wir zum einen bisher in der Analyse ungenutzte Observablen bzw. Detektorkomponenten charakterisieren und deren Nutzen evaluieren und zum anderen Studien zur Sensitivität der Analyse auf bisher nicht abgedeckte Signaturen durchgeführen. Obendrein bieten wir einen allgemeinen Einblick in die theoretisch und experimentell spannende Welt der Suchen nach langlebigen Teilchen mit verschiedensten Signaturen. 

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Dr. Sascha Mehlhase

Supersymmetrie mit einem Elektron oder Myon im Endzustand

Im 1-Lepton Kanal wird nach der starken Produktion von Gluinos und Squarks, den supersymmetrischen Partnern des Gluons und der Quarks, gesucht, die über Zwischenzustände in mehrere Jets, in nicht detektierbare Teilchen, und ein Elektron oder Myon zerfallen können.
Suchen in diesem Kanal wurden im Run-2 bereits erfolgreich durchgeführt, jedoch wurden für den Beginn von Run-2 die aktuelle Standardanalyse bewusst einfach gehalten. Im weiteren Verlauf von Run-2 wollen wir jedoch die Analyse in mehrere Richtungen erweitern. Eine mögliche Bachelorarbeit wäre die Verbesserung der Analyseschnitte durch multivariate Techniken, wie die Implementierung von Boosted Decision Trees, welche die unterschiedlichen kinematischen Eigenschaften des Signals gegenüber dem Untergrund möglicherweise besser hervorarbeiten kann als die Standardanalyse.
Die Analyse verwendet an verschiedenen Stellen Monte-Carlo-Simulationen um die Analyse zu optimieren und Standardmodelluntergründe abzuschätzen. Eine möglichst genaue Beschreibung der gemessenen Daten durch diese Simulationen ist wesentlich, aber nicht immer gegeben. Hauptuntergründe sind die Produktion von tt und W+Jets Ereignissen, welche zu ähnlichen Signaturen wie das Signal führen können. Während aktuell Studien durchgeführt werden um die Simulation des tt-Untergrundes zu verbesseren, wurde der W+Jets-Untergrund im Kontext dieser Analyse bislang kaum untersucht. Eine mögliche Bachelorarbeit wäre daher unterschiedliche Simulationen für den W+Jets-Untergrund zu vergleichen und somit die Beschreibung des Untergrundes zu verbessern.
Am Anfang jeder Analyse steht das Aufzeichnen der Daten der Proton-Proton-Kollisionen. Bei einer Kollisionsrate von aktuell in etwa 40 MHz ist es jedoch nicht möglich das Ergebnis aller Kollisionen aufzuzeichnen. Die meisten Kollision resultieren allerdings auch nicht in Signaturen, welche von Interesse für Suchen nach neuer Physik sind. Um die hohe Datenmenge zu reduzieren sind auf unterschiedlichen Leveln diverse Filteralgorithmen (Trigger) implementiert, welche versuchen Ereignisse mit interessanten Signaturen herauszufiltern. Beispiele hierfür sind Ereignissen mit einem hochenergetischen Lepton oder Jet. Da die Kollisionsrate 2017 weiter ansteigen wird, wurden 2016 neue Triggeralgorithmen vorgeschlagen und implementiert. Eine mögliche Bachelorarbeit soll einige dieser Algorithmen im Kontext des 1-Lepton Kanals testen, bzw. ihre Selektionseffizienzen bestimmen. 

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Dr. Jeanette Lorenz

Supersymmetrie mit Tau-Leptonen im Endzustand

für die Suche nach Supersymmetrie interessieren uns im Rahmen dieses Themas insbesondere Prozesse, bei denen supersymmetrische Teilchen produziert werden, welche dann in die schwersten Leptonen, die Tau-Leptonen, zerfallen. Tau-Leptonen können, im Gegensatz zu Elektronen und Myonen, sowohl in leichtere Leptonen als auch in Hadronen zerfallen. Ihre Detektorsignaturen sind daher besonders vielfältig. In vielen natürlichen Modellen von Supersymmetrie nimmt man an, dass die Massen der SUSY-Partner von Tau-Lepton (und Top-Quark) vergleichsweise leicht sind, und dass diese Teilchen daher bevorzugt am LHC produziert werden.
Die Produktion der supersymmetrischen Teilchen kann über die starke und über die elektroschwache Wechselwirkung erfolgen. Dabei sind die Wirkungsquerschnitte für die starke Wechselwirkung deutlich größer. Falls die Produktion von supersymmetrischen Teilchen über die starke Wechselwirkung jedoch außerhalb des vom LHC abgedeckten Energiebereichs liegt, ist es vielversprechender, nach der Produktion von supersymmetrischen Teilchen über die elektroschwache Wechselwirkung zu suchen. Je nach Produktionsmechanismus sind die Detektorsignaturen leicht unterschiedlich und erfordern unterschiedliche Strategien.
Bei den Bachelorarbeiten in diesem Themenbereich wird es darum gehen, an einer der Analysen mit dem Run-2-Datensatz mit hoher Luminosität für die Suche nach Supersymmetrie mit Tau-Leptonen mitzuarbeiten. Mögliche Fragestellungen sind hierbei, ob es Sinn macht, die Analyse auf Detektorsignaturen mit einer Kombination von leichten und Tau-Leptonen zu erweitern, welchen Einfluss der Trigger hat sowie das Design von neuen, speziellen Triggern, wie sich die Trennung von Supersymmetrie-Ereignissen vom Standardmodell-Untergrund verbessern und wie sich letzterer präziser abschätzen lässt, und wie sich die Analyseergebnisse im Kontext von Supersymmetrie interpretieren lassen. 

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Dr. Federica Legger
Dr. Alexander Mann 

Modellierung des Top-Quark-Untergrundes für SUSY-Suchen mit einem Lepton

In fast allen Suchen nach SUSY sind Standarmodell Prozesse mit Top-Quarks, Top-Quark-Paarproduktion und Einzel-Top-Quark-Produktion, der dominierende Untergrund. Da die typische Signatur von SUSY-Prozessen eine große Imbalance des Transversalimpulses aller detektierbaren Teilchen ist, ist die Modellierung des Top-Quark-Untergrundes in diesem extremen Phasenraum der SUSY-Analysen eine Herausforderung.
für unsere SUSY Analysen mit einem Elektron oder Myon im Endzustand, inklusive Gluino/Squark Suche und die direkte Suche nach dem Stop, sollen neue Ideen zur Modelierung des Top-Quark-Untergrundes genauer untersucht werden.
Mögliche Bachelorarbeiten in diesem Bereich können sich zum einen mit Studien zur Verwendung von neuen, verbesserten Monte-Carlo-Generatoren befassen oder mit Methoden zur Bestimmung des Top-Quark-Untergrundes mit Hilfe von Daten. 

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Dr. Jeannine Wagner-Kuhr

Machine Learning Algorithmen für die Suche nach dem SUSY-Partner des Top-Quarks

In vielen natürlichen Modellen von Supersymmetrie nimmt man an, dass die Masse des SUSY-Partners des Top-Quarks (Stop) vergleichsweise leicht ist, und dass Stops daher bevorzugt am LHC produziert werden.
In unserer Arbeitsgruppe arbeiten wir an der Suche nach der Stop-Paar-Produktion wobei wir insbesondere an dem 3-Körper-Zerfall von Stops in ein b-Quark, ein W-Boson und ein Neutralinöinteressiert sind. Da die Ereignistopologie der Stops in diesem Kanal sehr ähnlich zu Standarmodell Prozessen mit Top-Quarks ist, ist die Trennung von Signal und Untergrund schwierig. Klassische Schnitte-basierte Analysen stossen in diesem Bereich an ihre Grenzen und moderne Machine-Learning basierte Analyseverfahren wie z.B. Deep-Learning, Neuronale Netze oder Boosted-Decision-Trees sollen angewendet werden, um eine gute Unterscheidung von Signal und Untergrund auch mit einfachen kinematischen Variablen zu erreichen bzw. die Trennung weiter zu optimieren. 

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Dr. Jeannine Wagner-Kuhr
Dr. Jovan Mitrevski

Physik des Top-Quarks

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Das Top-Quark hat viele Besonderheiten im Vergleich zu den anderen Quarks. Söhadronisiert es aufgrund seiner hohen Masse nicht und ’vererbt’ seine Eigenschaften direkt an seine Zerfallsprodukte. Da bis heute noch nicht alle seine vorhergesagten Eigenschaften überprüft werden konnten, stellt es auch weiterhin ein interessantes Studienobjekt dar. Der LHC mit seiner hohen Luminosität und Schwerpunktsenergie ist eine Top-Fabrik und ermöglicht somit erstmals Messungen zum Top-Quark mit hoher Statistik. Darüber hinaus spielt das Top-Quark eine wichtige Rolle in vielen Suchen nach Physik jenseits des Standardmodells.
In Proton-Proton Kollisionen, wie sie am LHC stattfinden, entstehen Top-Quarks hauptsächlich in Top-Antitop-Paaren. Gemäß Standardmodellvorhersage zerfallen diese beinahe ausschließlich in jeweils ein b-Quark sowie ein W-Boson, welches wiederum in zwei leichte Quarks oder ein Lepton-Neutrino-Paar zerfällt.
Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen die Eigenschaften des Top-Quarks bei Produktion und Zerfall genauer untersucht werden. Hierzu kann eines der nachfolgenden Themengebiete bearbeitet werden: 

Studie zur Definition der Top-Quarkmasse

Die Massenbestimmung des Top-Quarks ist nicht nur experimentell eine Herausforderung. Es ist auch von theoretischer Seite nicht völlig klar, wie der experimentell messbare Massenwert mit den in theoretischen Rechnungen benutzten Massenparameter zusammenhängt. In dieser Bachelorarbeit soll mit Hilfe von Simulationsstudien der Zusammenhang zwischen dem experimentell bestimmten Massenwert und dem Massenparameter der theoretischen Rechnungen untersucht werden. Dazu werden verschiedene Simulationsprogramme verwendet, die unterschiedliche theoretische Rechnungen bzw. Rechnungen in unterschiedlicher Ordnung der Störungstheorie für die Simulation von Top-Antitop-Quarkpaar-Reaktionen verwenden. Auf die simulierten Reaktionen werden dann Standard-Rekonstruktionsalgorithmen angewendet, die auch für die experimentelle Bestimmung der Top-Quarkmasse benutzt werden. Durch Korrelation und Vergleich von experimentellen und theoretischen Massenwerten soll die Verknüpfung von Theorie und Experiment quantisiert werden. Ergebnisse dieser Studie haben unmittelbar Relevanz für die Top-Quarkmassenmessungen der großen Experimente wie ATLAS am LHC-Beschleuniger in Genf.

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Prof. Dr. Otmar Biebel

Messung des Wirkungsquerschnitts von Top-Antitop-Paarproduktion mit zusätzlichen Jets

Die Quarks oder Gluonen aus der Top-Paarerzeugung und dem Top-Zerfall werden im ATLAS-Detektor als Teilchenbündel, so genannten Jets, nachgewiesen. Durch die Rekonstruktion der Zerfallsprodukte eines Top-Quarks können dessen Eigenschaften, wie z.B. die Masse, präzise vermessen werden. Bei der Top-Paarerzeugung in den Proton-Proton-Kollisionen, die der ATLAS-Detektor am LHC vermisst, treten häufig auch weitere Jets auf. Diese Bachelorarbeit soll gezielt Auswahlkriterien für die Produktion von mindestens zwei weiteren Jets neben dem Top-Antitop-Quarkpaar festlegen, um den Wirkungsquerschnitt für solche Prozesse messen zu können. Denn die hohe Masse des Top-Quarks bedeutet eine starke Kopplung an das Higgs-Teilchen. Sollte ein Higgs-Teilchen von einem der Top-Quarks aus einer Paarerzeugung abgestrahlt werden, würde dieses Higgs-Teilchen überwiegend als zwei zusätzliche Jets in der Reaktion erscheinen. Aber auch andere Bosonen, wie Z- oder W-Bosonen können bei der Top-Produktion auftreten und ebenfalls als zwei Jets vom Detektor registriert werden. Durch die Messung des Wirkungsquerschnitts von Top-Paarerzeugung mit (mindestens) zwei assoziierten Jets kann die Häufigkeit solch assoziierter Erzeugung von Higgs-, W- oder Z-Bosonen mit Top-Antitop-Quarkpaaren bestimmt werden.

Kontakt
Michael Bender, M.Sc.
Dr. Jeannine Wagner-Kuhr

Machine Learning Algorithmen zur Untersuchung von ttZ Endzust ̈anden bei LHC

Die Messung von Top-Paarproduktion mit assoziierten Bosonen ist ein wichtiger Prozess zur Untersuchung der Eigenschaften des Top-Quarks. Besonders interessant sind Endzustände bei denen ein assoziiertes Z-Boson in Quarks zerfällt, die als Teilchenbündel (Jets) im ATLAS Detektor nachgewiesen werden. Allerdings sind solche Endzustände mit vielen Jets im Endzustand schwierig zu identifizieren, da verschiedene andere Prozesse eine ähnliche Signatur aufweisen. Klassische Schnitte-basierte Analysen verwenden in der Regel eine geschickte Kombination komplexer kinematischer Variablen zur Ereignisklassifizierung und Trennung von Signal- und Untergrund-Ereignissen. Als Alternative sollen moderne “Machine-Learning” basierte Analyseverfahren wie z.B. Deep-Learning Neuronale Netze oder Boosted-Decision-Trees angewendet werden, um eine gute Unterscheidung von Signal und Untergrund auch mit einfachen kinematischen Variablen zu erreichen bzw. die Trennung weiter zu optimieren.

Kontakt
Dr. Günter Duckeck
Dr. Jeannine Wagner-Kuhr

Detektor-R&D zum Teilchennachweis

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Bau eines Prototyps für großflächige Micromegas-Detektoren, die im Myonspektrometer des ATLAS Experiments zum Einsatz kommen sollen.

Micropatterndetektoren

Micromegas (MICROMEsh GAseous Structures) sind moderne gasgefüllte Detektoren mit mikrostrukturierter Anodenauslese und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in der fundamentalen oder interdisziplinären Forschung. Sie ermöglichen eine sehr gute Ortsauflösung von 50 μm und besser, und können Teilchen auch bei sehr hohen Raten noch mit hoher Effizienz und Genauigkeit detektieren.
Am Lehrstuhl Schaile werden gerade erste Prototypen der größten je gebauten Micromegas-Detektoren entwickelt. Diese sind 2 m2 groß und sollen am ATLAS Experiment am CERN ab 2019 eingesetzt werden. Im Frühjahr 2017 werden wir einen ersten Prototypen fertiggestellt haben. Dieser soll im Rahmen einer Bachelorarbeit in unserem Höhenstrahlungsmessstand in Garching untersucht werden. Aus der Rekonstruktion kosmischer Myonenspuren erhält man einen Satz von Qualitätsparametern, die es erlauben, die Eignung für das ATLAS Experiment zu untersuchen bzw. den Detektor zu kalibrieren. Eine der spannenden Fragestellungen ist hierbei, inwieweit Aussagen zur erreichbaren Ortsauflösung, ein entscheidender Parameter für die Impulsauflösung bei ATLAS, bereits mit kosmischen Myonen erhalten werden können.
Außerdem entwickeln wir sehr dünne und äußerst hochratenfeste floating strip Micromegas-Detektoren, die sich zur Verwendung in Spurkammern und in Systemen zur medizinischen Bildgebung eignen, sowie Gaseous Electron Multiplication (GEM) Detektoren, mit denen niederenergetische Neutronen und Röntgen-Photonen mit hoher Ortsmessgenauigkeit nachgewiesen werden können. Zugleich simulieren und untersuchen wir das Verhalten von Elektronikschaltungen zur Auslese der Detektorsignale, die für eine zweite Stufe des Upgrades des ATLAS-Detektors eingesetzt werden soll.
Die Arbeiten bieten Einblick in modernste Detektortechnologie und somit auch in die dafür zugrundeliegende Physik sowie in modernste Ausleseelektronik. Sie können auch gerne in einem Team aus mehreren Studenten arbeiten. Am besten, Sie schauen auf ein persönliches Gespräch bei uns vorbei, dann finden wir bestimmt ein für Sie passendes Thema. 

Kontakt
Prof. Dr. Otmar Biebel
Dr. Ralf Hertenberger
Dr. Chrysostomos Valderanis

Flavour-Physik

Weitere Themen der Teilchenphysik, speziell auf dem Gebiet der Flavour-Physik findet ihr auf der Seite von Prof. Kuhr.

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