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 SoSe2021-Angebot von Themen für Bachelorarbeit ist auch unter diesem Link als PDF verfügbar.

Übersicht

monohiggs

Ausbildungsprogramm

Wir bieten im Sommersemester 2020 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 Prima ̈rreaktion aus einem komplexen Ereignismuster.
      Die Teilnahme an Teil I dieses Kurses (12.04.-16.04.2021 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, 19.04.-2.07.2021, 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.

Sollten im Sommersemester 2021 weiterhin keine Präsenzveranstaltungen erlaubt sein, dann würden Blockkurs, Vorlesung und Seminar als remote-Veranstaltungen per zoom stattfinden. Bachelorarbeiten zu Themen der Datenanalyse können ebenfalls remote durchgeführt und betreut werden. Für Bachelorarbeit im Bereich der Detektorentwicklung besteht nach heutiger Corona-Regelung die Möglichkeit, diese Arbeit unter Beachtung aller Schutz- und Hygienemaßnahmen vor Ort durchzuführen.

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

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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Die Standardmodell-Teilchen (links) und ihre von Supersymmetrie vorhergesagten Partnerteilchen (rechts).

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 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.
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 supersymmetrischen Dunkle-Materie-Teilchen

Nach einem sehr umfassenden Suchprogramm nach supersymmetrischen Teilchen während der zweiten Datennahmeperiode am LHC, bietet sich nun die einzigartige Möglichkeit, all diese Suchen zusammenfassend zu betrachten. Dies erlaubt nun Aussagen aus der Gesamtheit der durchgeführten Suchen auf den theoretisch zulässigen Parameterraum zu tätigen. Besonders interessant sind hierbei die Ergebnisse in Hinblick auf Charginos und Neutralinos (supersymmetrische Partner der W-, Z- und Higgs-Bosonen). Das leichteste Neutralino ist beispielsweise ein guter Kandidat für Dunkle Materie.
In dieser Bachelorarbeit betrachten wir speziell das sogenannte phenomenologische MSSM, und untersuchen, welcher Teil des Parameterraums durch die Suchen ausgeschlossen werden kann oder auch nicht. Mit Hilfe von maschinenlernen-basierten Methoden sollen dann die Eigenschaften der nicht ausgeschlossenen Modelle in Hinblick auf Dunkle Materie untersucht werden.

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PD Dr. Jeanette Lorenz

Suche nach dunkler Materie in Assoziation mit skalaren Teilchen

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 oder anderen schweren Skalaren. Je nach Masse des Skalars sind unterschiedliche Zerfälle möglich, wie zum Beispiel in zwei Z-Bosonen. Suchen nach Skalare mit Zerfällen in zwei Z-Bosonen in Assoziation mit fehlenden Transversalimpuls durch die nicht detektierten Dunkle- Materie-Teilchen sind bislang noch kaum durchgeführt worden. Diese Bachelorarbeit soll hierfür eine Suchstrategie ausarbeiten.

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PD Dr. Jeanette Lorenz
Dr. Philipp Mogg

Suche nach Neuer Physik mit unkonventionellen Signaturen

Die Mehrzahl der Suchen nach Neuer Physik am LHC beruht auf der Rekonstruktion von wenigen, uns bekannten Teilchen, welche aus dem prompten Zerfall von neuen, oft schweren, Teilchen entstehen. Eine Vielzahl von theoretischen Erweiterungen des Standardmodells sagt jedoch auch unkonventionelle Signaturen voraus, welche oft eine besondere experimentelle Herausforderung darstellen, jedoch nicht selten frei von oder arm an Standardmodell-Untergünden sind. Beispiele für unkonventionelle Signaturen sind zum Beispiel hypothetische schwere, geladene langlebige Teilchen oder sogenannte Soft Unclustered Energy Patterns (SUEPs).
Erstere sind, ähnlich motiviert wie langlebige Teilchen im Standardmodell, in der Lage bis in den Detektor vorzudringen (statt bereits in Strahlrohr zu zerfallen) und hinterlassen dabei sehr markante Spuren, die sich durch geringere Geschwindigkeit und oft erhöhten Energieverlust durch Ionisation auszeichnen und von Standardmodell-Signaturen abheben. SUEPs hingegen zeichnen sich durch eine enorme Anzahl von Teilchenspuren, die aus dem Zerfall eines schweren Teilchens über eine neue, unbekannte, starke Wechselwirkung herrühren, aus. Beide Suchen erfordern die Entwicklung bzw. Optimierung dedizierter Rekonstruktions- und Selektionsmethoden, sowie und ein sehr gutes Verständnis der relevanten Detektorkomponenten. Im Rahmen von Bachelorarbeiten wollen wir zum Einen die Suche nach langlebigen Teilchen durch Studien zur Einbindung neuer und zur Verbesserung bereits genutzter Detektorkomponenten vorantreiben und zum Anderen eine bisher einmalige Suche nach SUEPs durch Studien zu neuen Observablen entwickeln. Obendrein bieten wir einen allgemeinen Einblick in die theoretisch und experimentell spannende Welt der Suchen nach langlebigen Teilchen und unkonventionellen Signaturen.

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PD Dr. Sascha Mehlhase

Higgs-Boson-Selbstwechselwirkung

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Kandidat für ein H → bb̄ Ereignis.

Das Higgs-Boson ist ein Teilchen, das auch in der Kosmologie bedeutsam ist. Dies liegt daran, dass sich der sombrero-förmige Verlauf des Higgs-Potenzial aufgrund von Quanteneffekten v.a. durch das top-Quark mit zunehmender Energie aufweitet, möglicherweise bis zu einem Grad, bei dem kein stabiles Minimum im Potenzial mehr vorliegt. Dann gäbe es keinen stabilen Zustand des elektroschwachen Vakuums, was auf einen signifikanten Phasenübergang während der Frühphase des Universiums hindeuten würde, bei dem erst das heute beoabachtete stabile elektroschwache Vakuum entstanden ist.
Dieses Verhalten des Higgs-Potenzials kann experimentell durch eine Messung der Higgs-Selbstwechselwirkung überprüft werden. Eine solche Messung ist allerdings schwierig und benötigt die enorme Datenmenge des zukünftigen Hochluminositäts-LHC-Beschleunigers. Das Bachelorarbeitsthema ist dabei ein Meilenstein zur erstmaligen Beobachtung der Higgs-Selbstwechselwirkung. Darauf wird später die genaue Messung der Energieabhängigkeit des Higgs-Potenzials aufbauen.

Machine-Learning-Algorithmen zur Suche nach HH-Endzuständen

Die Messung von Higgs-Paarproduktion ist ein wichtiger Prozess zur Untersuchung der Selbstwechselwirkung des Higgs-Bosons H. Gesucht sind Endzustände aus dem H → HH-Prozess. In Konkurrenz zu diesen Endzustände gibt es verschiedene Prozesse, bei denen die beiden Higgs-Bosonen von unterschiedlichen Teilchen abgestrahlt wurden. Mittels Machine-Learning-Algorithmen sollen die Unterschiede zwischen diesen Prozessen herausgearbeitet werden, um für eine Messung der Higgs-Selbstwechselwirkung zu ermöglichen.

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Prof. Dr. Otmar Biebel

Die Physik des Top-Quarks

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Kandidat für ein t anti-t Ereignis mit 6 Jets.

Das Top-Quark hat viele Besonderheiten im Vergleich zu den anderen Quarks. So ergibt sich die hohe Masse des Top-Quarks aus der im Vergleich aller Teilchen stärksten Kopplung an das Higgs-Feld. Damit erhält das Top-Quark auch große Bedeutung für die Quantenkorrekturen am Higgs-Potenzial. Schon eine kleine Abweichung der Top-Quarkmasse um knapp 1% genügt, dass das Higgs-Potenzial bei höchsten Energien entweder keinen stabilen Vakuumzustand aufweist oder weiterhin einen solchen Zustand besitzt. Darum ist eine präzise Messung der Top-Quarkmasse von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus spielt das Top-Quark eine wichtige Rolle in vielen Suchen nach Phänonemen jenseits des Standardmodells, die u.a. für eine Erklärung der Dunklen Materie durch Elementarteilchen benötigt werden.
Mit seiner hohen Luminosität und Schwerpunktsenergie ist der LHC eine Top-Quark-Fabrik und ermöglicht solche Präzisionsmessungen. Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen die Bestimmung der Top-Quarkmasse genauer untersucht werden.

Machine-Learning für die Präzisionsmessung der Top-Quarkmasse

Top-Quarks bilden aufgrund der hohen Masse keine Hadronen. Deswegen muss die Masse des Top-Quarks aus den Zerfallsprodukten rekonstruiert werden. Beim Zerfall sind leider Prozesse wie Hadronisierung involviert, die nur phänomenologisch beschrieben werden können und deswegen zu bedeutsamen systematischen Messunsicherheiten führen.
Daher soll in dieser Arbeit eine alternative Methode untersucht werden, mit der direkt die Top-Quarkmasse bestimmt werden kann. Dazu verbindet man das theoretisch berechnete, so genannte Matrixelement der Top-Quarkproduktion mit den im Detektor gemessenen Endzustandsprodukten (Jets von vielen Hadronteilchen). Anstelle des üblichweise benutzten Faltungsintegrals, dessen Berechnung sehr CPU-aufwändig ist, soll in dieser Arbeit ein ‘Machine-Learning’ basiertes Verfahren entwickelt und untersucht werden, bei der z.B. ein Neuronales Netz den Transfer von Matrixelement zu Endzustandsprodukten lernt und damit die Berechnung des Faltungsintegrals vereinfacht.

Kontakt
Prof. Dr. Otmar Biebel

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 wurde gerade der Bau von 2 m2 großen Micromegas-Detektoren (MICROMEsh GAseous Structures) abgeschlossen. Diese werden am ATLAS Experiment am CERN ab 2022 eingesetzt. Nach dieser Serienproduktion werden baugleiche Referenzdetektoren regelmäßig in unserem Höhenstrahlungsmessstand in Garching untersucht, um die Leistungsfähigkeit der Detektoren weiter zu optimieren. Die Durchführung und Auswertung der Messungen ist eines von mehreren Themen für eine Bachelorarbeit. Eine der spannenden Fragestellungen betrifft die Zusammensetzung des Detektorgases, das sich auf die Hochspannungsstabilität, die Strahlungsfestigkeit und auch die erreichbare Ortsauflösung für Myon-Spuren auswirkt. und auch die erreichbare Ortsauflösung für Myon-Spuren auswirkt. Hierbei ist von großem Interesse, ob die Ortsauflösung für geneigte Teilchenspuren unter Berücksichtigung der Zeitinformation des Teilchensignals verbessert werden kann. Damit verbunden ist auch eine detaillierte Untersuchung, welche Auswirkungen Gasentladungen auf die Bauteile im Micromegas-Detektor haben und ob dadurch die Alterung von Micromegas-Detektoren beschleunigt wird, wobei die Response des Detektors z.B. auf stark ionisierende Neutronenstrahlen untersucht werden soll.
Außerdem möchten wir die Einsatzgebiete von mikrostrukturierten Gasdetektoren ausweiten. Eine Detektion von UV-Photonen aus dem Čerenkov-Effekt würde die Messung des Abstrahlwinkels der Čerenkov-Photonen und damit eine Impulsbestimmung für hochenergetische geladene Teilchen ermöglichen. In Kombination mit der exzellenten Ortsauflösung des Micromegas-Detektors wird die gleichzeitige Orts- und Impulsmessung in einem kompakten System mit vielfachem Anwendungspotenzial, u.a. in der medizinischen Bildgebung erreicht.
Speziell geformte Katodenstrukturen aus z.B. mehreren Lamellen mit geeigneter Beschichtung können den Nachweis neutraler Teilchen - Photonen oder Neutronen - um fast eine Größenordnung effizienter machen. In unserer Arbeitsgruppe hat gerade eine Designstudie hierzu begonnen. Von besonderem Interesse ist hierbei, ob die exzellente Ortsauflösung der Micropatterndetektoren auch hier beibehalten werden kann und ob der Nachweis der neutralen Teilchen auch in 3D bei hoher Effizienz gelingt.
Durch den Einsatz von Elektreten, das sind Materialien mit statischen elektrischen Feldern, also das elektrostatische Analogon zum Permanentmagneten, sollen Gasdetektoren aufgebaut werden, die unabhängig von externer Hochspannungsversorgung betrieben werden können. Das macht solche Detektoren interessant für Anwendungen, die Platz- und Gewichtsbeschränkungen unterliegen wie zum Beispiel in Nano-Satelliten-Experimenten.
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 Betriebsbedingun- gen 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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