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 SoSe2019-Angebot von Themen für Bachelorarbeit ist auch unter diesem Link als PDF verfügbar.

Übersicht

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Ausbildungsprogramm

Wir bieten im Sommersemester 2019 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 an Teil I dieses Kurses (29.04.-06.05.2019 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 empfohlen.
      Die Teilnahme an einer Klausur zu Teil I und Teil II des Kurses ist Voraussetzung für den Erwerb von 3+3 ECTS Punkten.
  • 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, 07.05.-19.07.2019, die Zeitspanne entspricht einer Bearbeitungszeit von 10 Wochen unter Berücksichtigung von Feiertagen und einem vorlesungsfreien Tag), 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 der Verbundprojekte ATLAS und BELLE-II, des Exzellenzclusters ‘ORIGINS’, der HGF-Allianz ‘Physics at the Terascale’ und des Maier-Leibnitz-Laboratoriums 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 Physik jenseits des Standardmodells bei LHC

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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. Ein Beispiel für eine solche Erweiterung ist Supersymmetrie (SUSY), in der jedem Fermion ein neues bosonisches Partnerteilchen zugeordnet wird und jedem Boson ein neues Fermion, wie in Abbildung 1 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.
Nach dem erfolgreichen Neustart im Jahr 2015 wurde über die letzten vier Jahre im zweiten Lauf des LHC ein großer Datensatz gesammelt, der eine noch nie da gewesene Gelegenheit für eine Vielzahl von Teilchensuchen bietet. Neben der schieren Menge der neuen Daten ist auch die Schwerpunktsenergie der Teilchenkollisionen die höchste weltweit bisher erreichte, wodurch sich die Produktionsraten für neue Teilchen mit hohen Massen relativ zum Untergrund um ein Vielfaches erhöhen, was wiederum 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 Großteil 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.
Die Welt der exotischen Zerfallsmuster möglicher langlebiger Teilchen ist groß ... einfach mal auf ein Gespräch vorbeischauen!

Kontakt
Dr. Sascha Mehlhase

Supersymmetrie mit einem Elektron oder Myon im Endzustand

Im 1-Lepton Kanal wird nach der elektroschwachen Produktion von Charginos und Neutralinos (supersymmetrische Partner der W-, Z- und Higgs-Bosonen) gesucht, die über Zwischenzustände in mehrere Jets, in nicht detektierbare Teilchen, und ein Elektron oder Myon zerfallen können.Eine spezielle Teilanalyse betrachtet Zerfälle supersymmetrischer Teilchen in Higgs-Bosonen. Sollte ein solches Signal tatsächlich entdeckt werden, so würde dies auf die Kopplung von Higgs-Bosonen an supersymmetrische Teilchen hindeuten, wie von der Lösung des Hierarchieproblems gefordert. Obwohl diese Analyse bereits eine bemerkenswerte Sensitivität aufweist, wurden die speziellen Eigenschaften 2
des Higgs-Bosons bislang nicht berücktsichtigt. Daher sollte sich die Sensitivität der Analyse weiter steigern lassen, indem die Eigenschaften des Higgs-Boson mittels Methoden des Maschinenlernens explizit einbezogen werden (‘Higgs-Tagging’). Studien hierzu können im Rahmen eine Bachelorarbeit durchgeführt werden.Eine andere Teilanalyse betrachtet Zerfälle der Charginos und Neutralinos in W- und Z-Bosonen. ähnlich des Zerfalls in Higgs-Bosonen können auch in diesem Fall die W- und Z-Bosonen durch die Kombination ihrer kinematischen Eigenschaften mit Hilfe von Methoden des Maschinenlernens identifiziert werden (‘W- und Z-tagging’). Diese Bachelorarbeit wird untersuchen, ob sich mit diesen bislang nicht genutzten Methoden die Sensitivität der aktuellen Analyse steigern lässt. 

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Dr. Jeanette Lorenz
Eric Schanet

Supersymmetrie mit Tau-Leptonen im Endzustand

Für die Suche nach Supersymmetrie interessieren uns Prozesse, bei denen supersymmetrische Teilchen produziert werden, die dann in die schwerste Generation der 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 von Top-Quark) vergleichsweise leicht sind, und dass diese Teilchen daher bevorzugt am LHC produziert werden. Die Produktion der SUSY-Teilchen kann sowohl über die starke und über die elektroschwache Wechselwirkung erfolgen. In beiden Analysen ergeben sich daraus spannende Forschungsaspekte, denn je nach Produktionsmechanismus sind die Detektorsignaturen leicht unterschiedlich und erfordern unterschiedliche Strategien.
In der Bachelorarbeit zu der Suche nach starker Produktion der supersymmetrischen Partnerteilchen geht es darum, die bestehende Analyse des Datensatzes aus 2015 und 2016 erstmals zu einer Analyse des vollen Datensatze weiterzuentwickeln. Ähnlich geht es auch in der Suche nach elektroschwacher Produktion der supersymmetrischen Partnerteilchen um die Analyse des vollen Datensatzes. Hierbei wird das Augenmerk aber verstärkt auf der Verwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens (Machine-Learning-Algorithmen, MLA, wie Neuronale Netze oder Boosted Decision Trees) und dem Verstehen der Trigger liegen, um das Potential der Daten in besonders kniffeligen Bereichen des Phasenraums ausschöpfen zu können. Dies ist zum einen wichtig für die direkte Produktion von supersymmetrischen Tau-Sleptonen, weil hier der Wirkungsquerschnitt, d.h. die Produktionsraten im LHC-Beschleuniger, verhältnismäßig klein sind. Zum anderen können MLA helfen, wenn die Zerfallsprodukte (in “komprimierten Szenarien”) besonders niedrige Energien haben.

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PD Dr. Alexander Mann 

Suche nach dunkler Materie in Assoziation mit Higgs-Bosonen

Neben supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells sagen auch andere Erweiterungen des Standardmodells Kandidaten für die dunkle Materie voraus. Gemeinsam ist diesen Kandidaten, dass sie als ausschließlich schwach und gravitativ wechselwirkend sowie als massiv angenommen werden (WIMP Teilchen). Am LHC wird intensiv nach WIMPs gesucht, wobei neben den Suchen nach supersymmetrischen Teilchen auch deutlich modell-unabhängigere Suchen durchgeführt werden. Im einfachsten Fall wird nach der Paarproduktion zweier WIMPs gesucht, die jedoch - da nicht mit dem Detektor wechselwirkend - nicht direkt detektiert werden können. Daher bedienen sich die Suchen eines Tricks, indem sie nach der Paarproduktion von WIMPs zusammen mit einem Standardmodellteilchen suchen (‘mono-X’-Suchen). Dieses Standardmodellteilchen kann z.B. ein Quark oder Gluon sein, welches in der Produktion der WIMPs abgestrahlt wurde, oder aber auch ein Boson, welches zusammen mit den WIMPs produziert wurde.
In unserer Arbeitsgruppe betrachten wir speziell die Produktion von WIMPs zusammen mit Higgs-Bosonen. Higgs-Bosonen zerfallen zu 58 % in b ̄b Quark-Paare, welche im ATLAS-Detektor gut nachgewiesen werden können. Daher konzentriert sich die Suche auf Signaturen mit lediglich zwei b-Jets im Endzustand und erheblicher fehlender transversalen Energie (welche von den nicht detektierten WIMPs stammen könnte). Ergebnisse zu dieser Suche wurden in der neuen Datennahmeperiode bereits vorgestellt, jedoch zeigt es sich, dass die bestehende Suche auf niedrige Transversalimpulse der produzierten Teilchen noch nicht ausreichend sensitiv ist. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll mittels einer Optimierung die Suche auf diese bislang nicht abgedeckten Bereiche erweitert werden und hierbei insbesondere Methoden entwickelt werden um den dominanten tt ̄Untergrund zu unterdrücken.

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Dr. Jeanette Lorenz
Andrea Matic

Leptoquarks der Dritten Generation

Leptoquarks sind – wie der Name impliziert – eine Mischung aus Leptonen und Quarks. Genauer gesagt sind Leptoquarks hypothetische Elementarteilchen, die sowohl Farbladung als auch elektroschwache Ladung tragen, und in vielen Theorien jenseits des Standardmodells auftauchen, wie z.B. in Großen Vereinheitlichten Theorien. Die Existenz solcher Teilchen böte unter anderem eine Erklärung für die Abweichungen von der vom Standardmodell vorhergesagten Leptonuniversalität, die in einer Reihe von Experimenten mit B-Hadronen beobachtet werden (“flavor anomalies”). Gemäß dem Standardmodell sollte keine Leptongeneration in Zerfällen bevorzugt werden. Bei B-Hadronen beobachtet man aber Abweichungen hiervon, die nicht mit den unterschiedlichen Massen der verschiedenen Leptonen erklärt werden können. Leptoquarks erfahren deshalb viel Aufmerksamkeit als eine mögliche Erweiterung des Standardmodells.
Der LHC-Datensatz bietet die Möglichkeit, nach Leptoquarks zu suchen. Uns interessieren dabei Leptoquarks der dritten Generation, die in Top- und Bottom-Quarks, Tau-Leptonen und Neutrinos zerfallen. Die Detektor-Signaturen dieser Zerfälle sind denen von Zerfällen von supersymmetrischen Teilchen sehr ähnlich und können damit mit ganz ähnlichen Suchstrategien analysiert werden. In der Bachelorarbeit zu diesem Thema geht es darum, erste Studien zur Sensitivität des vollen Datensatzes aus dem zweiten Lauf des LHC auf Leptoquarks der dritten Generation durchzuführen, die in eine Analyse mit Tau-Leptonen in Analogie zu den Suchen nach Supersymmetrie münden sollen. Hierbei können insbesondere auch neue Rekonstruktionsmethoden für Tau-Leptonen mit Rekursiven Neuronalen Netzen zur Anwendung kommen.

Kontakt
PD Dr. Alexander Mann

Suche nach SUSY-Teilchen in Assoziation mit einem Top-Quark

In vielen natürlichen Modellen von Supersymmetrie nimmt man an, dass die Masse des SUSY-Partners des Top-Quarks (Top-Squark) vergleichsweise leicht ist, und dass Top-Squarks daher bevorzugt am LHC produziert werden.
In unserer Arbeitsgruppe arbeiten wir an einer Sensitivitätsstudie für die Suche nach der simultanen Produktion von Gluino (SUSY-Partner des Gluons), Top-Squark und Top-Quark. Dieser neu vorgeschlagene Prozess soll durch die assoziierte Produktion mit einem Top-Quark Zugang zu SUSY-Modellen geben, bei denen die Massendifferenzen zwischen Gluino und Top-Squark, sowie Top-Squark und dem leichtesten SUSY-Teilchen, das Neutralino (Kandidat für dunkle Materie !), so klein sind, dass im Zerfall von einem Gluino oder Top-Squark quasi nur Neutralinos, die der Detektion entkommen, und niedergetische Objekte entstehen.
Eine Bachelorarbeit soll die Abhängigkeit des Signals (Gluino + Top-Squark + Top-Quark) von der Massen der SUSY-Teilchen untersuchen und Regionen mit hoher Signalreinheit und deren Signifikanz ermitteln. In einer zweiten Bachelorarbeit geht es um die Definition von sogenannten Kontrollregionen, diezurüberprüfungundBestimmungderverschiedenenUntergrundprozesseindenextremenAnalyse-Phasenräumen verwendet werden sollen.

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PD Dr. Jeannine Wagner-Kuhr

Detektor-R&D zum Teilchennachweis

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

Micropatterndetektoren

Micropatterndetektoren sind moderne gasgefüllte Detektoren mit mikrostrukturierter Anodenauslese und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in der fundamentalen oder interdisziplinären Forschung. Sie ermöglichen eine sehr gute Ortsauflösung von 50μm und besser, und können Teilchen auch bei sehr hohen Raten noch mit hoher Effizienz und Genauigkeit detektieren.
Am Lehrstuhl Schaile werden gerade 2 m2 große Micromegas-Detektoren (MICROMEsh GAseous Structures) gebaut und getestet. Diese sollen am ATLAS Experiment am CERN ab 2019 eingesetzt werden. Bei dieser Serienproduktion werden die Detektoren regelmäßig in unserem Höhenstrahlungsmessstand in Garching untersucht. Die Durchführung und Auswertung der Messungen ist eines von mehreren Themen für eine Bachelorarbeit. Dabei erhält man aus der Rekonstruktion kosmischer Myonenspuren einen Satz von Kalibrationsgrößen, die beim späteren Einsatz im ATLAS Experiment verwendet werden, um die optimale Messgenauigkeit der Micromegas-Detektoren zu erreichen. Eine der spannenden Fragestellungen ist dabei die erreichbare Ortsauflösung für Myon-Spuren, die ebenso schräg durch den Detektor verlaufen wie später die Myon-Teilchen aus den Kollisionsreaktionen im ATLAS-Detektor. Diese Ortsauflösung ist entscheidend für die Messgenauigkeit des Myon-Impulses im ATLAS Experiment.
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. Hierfür werden sowohl elektronische Testschaltungen entwickelt, die im Rahmen eines Bachelorarbeitsthemas zur systematischen Untersuchung und Charakterisierung der neuen Elektronikschaltungen verwendet werden können. Bei einem weiteren Thema geht es um die Installation und den Test der neuen Elektronikschaltungen auf Detektoren im Höhenstrahlungsmessstand, womit Messung von kosmischen Myon-Spuren unter realen Betriebsbedingungen möglich sind.
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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