Abschlussarbeiten im CMS Projekt des 3. Physikalischen Institut B
In den CMS-Forschungsgruppen unseres Instituts besteht die Gelegenheit, Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten) anzufertigen.
Die Hauptthemengebiete sind:
- Physik-Analyse mit dem CMS-Experiment
- Betrieb des CMS-Experiments
- Detektorentwickung für das CMS-Experiment am Super-LHC
-
Grid-Computing beim CMS-Experiment
Unsere Angebote befinden sich auf dieser Seite. Bei Interesse an einem der angebotenen Themen melden Sie sich bitte bei den angegebenen Kontaktpersonen.
Physik-Analyse mit dem CMS-Experiment
Am europäischen Teilchenphysiklabor CERN in Genf wurde der LHC-Beschleuniger und das CMS-Experiment in Betrieb genommen. Seit 2010 werden Proton-Proton-Kollisionen bei den höchsten Schwerpunktsenergien studiert.
An unserem Institut werden wichtige Physikanalysen, wie die Messungen der Parameter des schwersten bekannten Elementarteilchens, des Top-Quarks (Masse, Spin, Ladung, ...) und Studien zur Physik des Tau-Leptons durchgeführt.
Die Physik der Top-Quarks bleibt auch in den kommenden Jahren eines der zentralen Themen am LHC. Es gelang bereits 2010 mit den ersten 40 fb-1 eine top-Signatur zu etablieren und die Masse des top-Quarks und den Wirkungsquerschnitt für top-Paarereignisse zu messen. In den bisher aufgezeichneten Daten befinden sich bis zu 1 Mio. top-Paare Ereignisse. Dies ermöglicht sowohl eine präzise Vermessung der physikalischen Eigenschaften des top-Quarks als auch eine Suche nach Phänomenen jenseits des Standardmodells bis zu Energieskalen weit im TeV Bereich. Viele interessante Fragestellungen verknüpfen beide Aspekte, die Messung intrinsischer Eigenschaften des top-Quarks und die Suche nach neuer Physik.
Tau-Leptonen treten in vielen interessanten Reaktionen am LHC auf. Leider sind sie wegen der im Zerfall auftretenden Neutrinos experimentell schwierig zu rekonstruieren. Sie werden in der Regel als eng kollimierter Jet mit niedriger Multiplizität behandelt. Algorithmen zur Identifikation von tau-Leptonen auf dieser Basis sind in CMS verfügbar und wurden auch in unserer Gruppe ausgiebig getestet. Als Impulsvektor des tau-Leptons benutzt man meist die Summe der Impulse der gemessenen Teilchen. Dabei ignoriert man den Impuls des Neutrinos, was zu einer schlechten Auflösung führt. Diese Näherung wurde in vielen Analysen eingesetzt, z.B. bei der Suche nach SUSY oder nach Higgs-Bosonen. Unsere Gruppe hat als Verbesserung eine kinematische Rekonstruktion entwickelt, die das Neutrino im tau-Zerfall berücksichtigt.
Sie arbeiten mit an der Erforschung neuer Phänomene im Mikrokosmos und studieren interessante Physik an der Grenze des heutigen Wissens. Im Bereich der objektorientierten Software-Entwicklung lernen Sie Monte-Carlo-Methoden, Techniken der statistischen Datenanalyse und weltweit verteiltes Rechnen auf dem GRID vor dem Hintergrund eines modernen Hochenergiephysik-Experiments kennen.
Bei Interesse an einer Bachelorarbeit kommen Sie bitte einfach bei uns vorbei.
Physik des Tau-Leptons
Tau-Leptonen spielen eine wichtige Rolle bei vielen Prozessen am LHC. Eine Besonderheit der Tau-Leptonen ist die Möglichkeit deren Spin zu rekonstruieren. Im Rahmen von Bachelorarbeit sollen Sie lernen Tau-Leptonen zu rekonstruieren und deren Eigenschaften zu untersuchen. Dabei werden sie sowohl Methoden an computersimulierten Ereignissen entwickeln und testen, als auch dies auf die ersten Daten des CMS-Experimentes anwenden. Hier zwei Themenvorschläge:
- Rekonstruktion von π0 Mesonen: Unsere Arbeiten waren bisher auf den Kanal τ-→π-π+π-ν konzentriert. Wir wollen diese in Zukunft erweitern auf τ-→π-π+π-π0ν. Sie sollen erste Verfahren zum Nachweis der π0 Mesonen testen und weiterentwickeln.
- Suche nach H-→τ-ν: Neben dem neutralen Higgs-Boson des Standardmodells könnten auch geladene Higgs-Bosonen existieren. Mit simulierten Daten sollen sie eine Suchstrategie entwerfen und diese auf die echten Daten anwenden.
Sie sollten ein Interesse haben an der Phänomenologie der Elementarteilchen, gerne in einer internationalen Kollaboration arbeiten und Spaß am Programmieren mitbringen.
Kontakt: Bastian Kargoll, Ian Nugent, Achim Stahl
Physik des Top-Quarks
Ein wesentlicher Baustein im Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist das top-Quark. Als schwerstes bekanntes Elementarteilchen ist es erst 1995 am Fermilab entdeckt worden. Die hohe Schwerpunktsenergie und Luminosität des LHC erlaubt nicht nur die Wiederentdeckung des Quarks, sondern die hohe Teilchenrate ermöglicht es dediziert einzelne Eigenschaften des Teilchens zu studieren. Dies ist in mehrerlei Hinsicht spannend:
- Die Produktion des top Quarks an Hadronkollidern ermöglicht die Analyse vieler Physikalischer Fragestellungen der perturbativen QCD, wohingegen der Zerfall des top Quarks, Analysemöglichkeiten und Tests der elektroschwachen Wechselwirkung erlaubt.·
- Auf Grund seiner großen Masse stellt das Teilchen einen dominanten Zerfallskanal in Vorhersagen zu Prozessen neuer Physik außerhalb des Standardmodels (z.B. SUSY) dar.
- Die große Masse bedingt, dass das top-Quark zerfällt bevor es hadronisiert. Es gibt keine gebundenen top-Zustände. Dieser Umstand ermöglicht einen direkten Blick auf die 'nackten' Quark-Eigenschaften.
- In Schleifenkorrekturen ist die Topmasse ein wesentlicher Parameter zur Abschätzung der Masse des bisher noch unentdeckten Higgs-Bosons. Eine für die kommende Datenperiode erwartete Higgsentdeckung oder ein Ausschluss des Teilchens wird sich an der Vorhersage der Higgs-Eigenschaften aus den top-Quark Analysen messen lassen müssen.
Im Rahmen der top-Quark Physik forschen wir in unserer Arbeitsgruppe an folgenden Themen, die wir auch als Bachelorthema anbieten:
- Spinkorrelationseffekte bei der Toppaarerzeugung
- Messung der Ladung des top-Quarks
- Datengetriebene Bestimmung der Untergrund-Zusammensetzung in top-Analysen
- Suche nach neuer Physik (hochenergetische Resonanzen im Topmassenspektrum)
Sie arbeiten mit an der Erforschung neuer Phänomene im Mikrokosmos und studieren interessante Physik an der Grenze des heutigen Wissens. Im Bereich der objektorientierten Software-Entwicklung lernen Sie Monte-Carlo-Methoden, Techniken der statistischen Datenanalyse und weltweit verteiltes Rechnen auf dem GRID vor dem Hintergrund eines modernen Hochenergiephysik-Experiments kennen. Sie sollten Interesse an aktuellen Fragestellungen der Elementarteilchenphysik mitbringen und Spaß an Programmierung haben.
Eine exemplarische Übersicht über die Arbeiten, die wir anbieten finden Sie hier.
Kontakt: Heiko Geenen
- Silizium Photomultiplier
Detektor-Entwicklung für das CMS-Experiment für den Betrieb am Super-LHC
Silizium-Photomultiplier (SiPM) sind halbleiterbasierte Lichtdetektoren, die gegenüber klassischen Photomultipliern zum Photon-Nachweis mehrere Vorteile haben: Höhere Photon-Nachweiswahrscheinlichkeit, bessere Zeitauflösung, geringere Leistungsaufnahme pro aktiver Fläche, erheblich geringere Bautiefe, geringe Versorgungsspannung, mechanische Unempfindlichkeit. Aus diesen Gründen sind sie für zukünftige Experimente sehr interessant und werden an unserem Institut studiert.
Alle Arbeiten, die wir hier anbieten, werden entweder in unserer CMS-Gruppe angefertigt, die am Aufbau des inneren Silizium-Spurdetektors für CMS beteiligt war und sich neben der Analyse von Daten des CMS-Detektors mit der Entwicklung von Detektoren für ein Upgrade des CMS-Detektors beschäftigt und/oder in unserer GEANT4-RadioTherapy-Gruppe, die ein Flugzeit-Spektrometer aufbaut um das Monte-Carlo-Toolkit GEANT4 für die Teilchentherapie zu validieren.
Während der vorgestellten Arbeiten lernt man Methoden und Inhalte der aktuellen experimentellen Teilchenphysik kennen, typischerweise die Benutzung von modernen wissenschaftlichen Messgeräten (z.B. NIM- und VME-Elektronik) deren Programmierung und Auslese, sowie Auswertung von Daten mit gängigen Analyse-Methoden (C++, root).
Eine Übersicht über die Arbeiten, die wir anbieten finden Sie im hier verlinkten Dokument.
Kontakt: Oliver Pooth
Grid-Computing beim CMS-Experiment
- Grid-Cluster in Aachen
Das CMS-Experiment liefert jährlich mehrere Petabyte an Mess- und Simulationsdaten, die mittels Grid-Computing im Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) verarbeitet werden. Das WLCG besteht aus mehr als 150 Rechenzentren mit insgesamt mehr als 250.000 Prozessorkernen und mehr als 170.000 Terabyte, die weltumspannend über das Internet miteinander vernetzt sind. Innerhalb des WLCGs können Physiker auf die Messdaten des CMS-Experiments zugreifen und sie auswerten.
Das III. Physikalische Institut betreibt einen großen Computer-Cluster mit knapp 2.900 Prozessorkernen und über 1.500 Terabyte Festplattenspeicher. Diese Ressourcen sind Teil des WLCGs.
Im Rahmen einer Bachelor- oder Master-Arbeit wirken Sie an Betrieb und Überwachung des Grid-Clusters in Aachen sowie an dessen Weiterentwicklung mit. Dabei lernen Sie das Überscheidungsgebiet von Hochenergiephysik und Informatik kennen. Sie erhalten Einblicke in vielfältige Themenbereiche wie z.B. Benutzung des Grids, Einsatz von Datenbanken zur Überwachung eines Clusters, Umgang mit Batch-Systemen, verteilten Dateisystemen und Skriptsprachen.
Kontakt: Andreas Nowack
Bau einer Nebelkammer
- Spuren in einer Nebelkammer
Demonstrationsexperimente mit einer Nebelkammer
Eine Bachelorarbeit, die nicht im Bereich der SiPMs angesiedelt ist, beschäftigt sich mit den Experimentiermöglichkeiten mit einer Diffusionsnebelkammer. Diese Nebelkammer ist im Rahmen einer Bachelorarbeit aufgebaut worden und soll nun für Demonstrationsexperimente optimiert werden. Quantitative Messungen wie die Messung der Halbwertszeit von Radon, die Winkelverteilung von δ-Elektronen und das Rutherford-Streuexperiment sollen durchgeführt werden.
Zur Arbeit gehört außerdem das Schreiben einer Anleitung für alle Experimente, so dass die Nebelkammer in Vorlesungen und bei Besuchen von Schulklassen von verschiedenen Dozenten (Nicht-Nebelkammerexperten) in Betrieb genommen und sinnvoll genutzt werden kann.
In Ihrer Bachelorarbeit arbeiten Sie eigenständig (gerne auch im Zweierteam mit einer Kommilitonin/einem Kommilitonen) eng mit der mechanischen und elektronischen Werkstatt zusammen und bauen eine Nebelkammer. Die mechanischen Teile sind bereits gefertig, so dass Sie sofort loslegen können.
Handwerkliches Geschick ist sicherlich von Vorteil.
Kontakt: Oliver Pooth