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 SoSe2023-Angebot von Themen für Bachelorarbeit ist unter diesem Link als PDF verfügbar.

Übersicht (für SoSe 2023)

• Ausbildungsprogramm
  
• Machine-Learning-Algorithmen zur Suche nach HH-Endzuständen
• Überarbeitung des Praktikumsversuchs zum Z⁰-Teilchen
• Detektor-R&D zum Teilchennachweis
• Flavour-Physik

Ausbildungsprogramm

Wir bieten im Sommersemester 2022 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 (17.04.-21.04.2023 ganztägig) ist empfohlen 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 soll nach momentaner Planung begleitend zur Bachelor-Arbeit stattfinden. 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, 24.04.-07.07.2023, 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 2023 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 wird erwartet, dass die Corona-Regelungen für das Sommersemester 2023 die Durchführung diesr Arbeiten unter Beachtung aller Schutz- und Hygienemaßnahmen vor Ort erlauben.

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.

Higgs-Boson-Selbstwechselwirkung

^{Kandidat für ein tt Ereignis mit di-leptonischem Zerfall der beiden top-Quarks.}

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 wichtiger Schritt zur erstmaligen Beobachtung der Higgs-Selbst­wechselwirkung. Darauf wird später die genaue Messung der Energieabhängigkeit des Higgs-Potenzials aufbauen.

Machine-Learning-Algorithmen zur Trennung von tt- und HH-Endzuständen

Die Higgs-Paarproduktion ist ein sehr seltener Prozess im LHC-Beschleuniger. Deshalb können auch andere Prozesse, auch wenn sie eigentlich völlig anderer Natur sind und in der Regel zu anderen Teilchenverteilungen im Detektor führen, in seltenen Fällen der Signatur einer Higgs-Paarproduktion ähneln. Dies ist besonders für Prozesse bedeutsam, die sehr häufig im LHC-Beschleuniger erzeugt werden.
Zu einem solchen schwierigen Konkurrenzprozess gehört die top-antitop-Paarerzeugung mit anschließendem di-leptonischen Zerfall (siehe Abb. 1). Dabei treten in jedem top- bzw. antitop-Zerfall ein Lepton, ein unbeobachtetes Neutrino und ein bottom- bzw. antibottom-Quark auf. Wenn nun bei der Rekonstruktion der Reaktion die beiden unterschiedlich geladenen Leptonen mit den beiden Neutrinos sowie bottom- und antibottom- Quark zu einem Quarkpaar zusammen gruppiert werden, dann ent­sprä­che dies der Signatur einer Higgs-Paarerzeugung, bei der ein Higgs-Teilchen über ein W⁺ W⁻-Paar in ein Paar von Lep­tonen und Neutrinos zerfällt, während das andere Higgs-Teilchen in in bottom-antibottom-Quarkpaar zerfällt.
Prinzipiell kann man zwischen diesen beiden Reaktionen unterscheiden, weil ein top-Quark schwerer ist als ein Higgs-Teilchen und dadurch die Zerfallsteilchen höhere Energien aufweisen. Jedoch besitzen die Energieverteilungen der Zerfallsteilchen Ausläufer zu geringeren Energien und erreicht den Energiebereich der Higgs-Zerfallsteilchen. Dadurch können di-leptonische top- antitop-Prozesse über diese Ausläufer und durch den hohen Produktionswirkungsquerschnitt Higgs-Paar­pro­duk­tions­pro­zes­se vortäuschen, in denen die wirklich Higgs-Paarprozesse untergehen könnten.
Mit dieser Bachelorarbeit sollen die Ausläufer der di-leptonischen top-antitop-Paarprozesse untersucht werden, um Unterschiede zur Higgs-Paarproduktion herauszuarbeiten. Dazu sollen Methoden des überwachten Machine Learnings verwendet werden, um eine bestmögliche Trennung bzw. Klassifizierung der beiden Prozessklassen zu erreichen.

Kontakt
Prof. Dr. Otmar Biebel
Christoph Ames, MSc
Lars Linden, MSc

Detektor-R&D zum Teilchennachweis

^{Aufbau und Vorbereitung einer Messapparatur mit neuartigen mikrostrukturierten Gasdetektoren für Testmessungen an einem Teilchenstrahl.}

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 für experimentelle Teilchenphysik wurde gerade der Bau von 32 jeweils 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.

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 Ferroelektrika und Elektreten, das sind Materialien mit statischen elektrischen Feldern, also das elektrostatische Analogon zu Ferromagnetika und 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.
• Unser Höhenstrahlungsmessstand zur Vermessung und Kalibration von Myon-Detektormodulen aus dem ATLAS-Detektor wird mit neues Signalverarbeitungselektronik ausgestattet. Zugleich wird der Trigger auf die kosmischen Myon-Teilchen an das Trigger-Konzept des Myon-Spektrometers im ATLAS-Detektor angepasst. Mit neuer Elektronik und trigger können die Spuren von kosmischen Myon-Teilchen unter realen Betriebsbedingungen des ATLAS-Detektors gemessen und instantan rekonstruiert werden.
• Mit einer Simulationsstudie soll untersucht werden, ob und wie durch präzise Vermessung der Coulomb-Vielfachstreuung von kosmischer Myon-Strahlung im Höhenstrahlungsmessstand die Zusammensetzung einer unbekannten Mischung von z.B. Schwermetallen bestimmt werden kann. Eine denkbare Anwendung ist die Durchleuchtung von Containern oder Lkw-Aufliegern.

Die Bachelorarbeiten bieten Einblick in modernste Detektortechnologie und 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 finden Sie auf der Seite von Prof. Kuhr.