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Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Experimentelle Elementarteilchenphysik

Mögliche Bachelor- und Masterarbeitsthemen in der AG Lacker

Die hier dargestellte Liste gibt einen Überblick über mögliche Themen und einen groben Hintergrund zur physikalischen Fragestellung. Anpassungen der Themen sind nach Absprache möglich.

Bitte kontaktieren Sie Prof. Lacker (lacker@physik.hu-berlin.de), wenn Sie sich für eines der Themen interessieren.

 


Upgrade des ATLAS-Siliziumstreifendetektors

(Hardware, Elektronik)

Der LHC soll ab etwa 2024 mit deutlich höherer Luminosität Daten nehmen, um z. B. die Eigenschaften des 2012 entdeckten Higgs-Bosons noch genauer zu erforschen. Dafür muss der innere Spurdetektor von ATLAS durch deutlich strahlenhärtere Siliziumdetektoren ersetzt werden. Wir arbeiten in enger Kollaboration mit DESY, Standort Zeuthen, an der Entwicklung von Detektormodulen für den Bau einer Endkappe des zukünftigen Siliziumstreifendetektors, für die wir etwa 2500 von insgesamt 4000 Modulen bauen werden.

In diesem Bereich sind Bachelor- und Masterarbeiten in folgenden Bereichen zu vergeben:

* Studien von alternativen Klebern für den Modulbau
* Bau und Test von Testmodulen
* Charakterisierung von Siliziumsensoren
* Platzierung der Strom-Spannungs-Versorgung auf den Modulen
* Aufbau eines Cosmics-Teststands

Wer Spass an Elektronik und Hardware hat, ist bei unseren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich genau richtig.


Suche nach vektorartigen Quarks

(ATLAS-Datenanalyse)

In vielen Erweiterungen des Standardmodells treten sehr schwere, exotische Quarks auf. Wir suchen nach solchen sogenannten vektorartigen Quarks oder exotischen Topquark-Partnern. Ab 2015 nimmt der LHC bei einer deutlich höheren Schwerpunktenergie von 13 TeV erneut Daten, so dass wir unsere bisherigen Suchen zu deutlich höheren Quarkmassen ausweiten können.

Beispiele für mögliche Bachelor/Master-Arbeiten:

* Produktion einzelner exotischer Y-Quarks mit Ladung -4/3 e. Diese hypothetischen Quarks würden in ein W- + b-Quark zerfallen. Der Zerfall des W- Bosons wird durch den Zerfall in ein Elektron oder ein negativ geladenes Myon und ein Neutrino nachgewiesen. Das b-Quark wird durch ein sogenanntes b-Tagging des Jets, der aus dem ursprünglichen b-Quark entsteht, nachgewiesen. Der Hauptuntergrund in der Suche nach solchen Quarks kommt von der Produktion einzelner Topquarks, die in W+ + b-Quark zerfallen. In der Arbeit soll untersucht werden, inwieweit es möglich ist, die Ladung des b-Jets zu bestimmen und mit W-Ladung so zu korrelieren, dass der Topquark-Untergrund im Wesentlichen unterdrückt werden kann.
* Produktion einzelner X(5/3)/B-Quarks in Assoziation mit einem Topquark Exotische B-Quarks sind schwere b-Quarks mit Ladung -1/3 e, exotische X(5/3)-Quarks tragen die Ladung +5/3 e. Beide Quarks würden in ein W-Boson und ein Topquark zerfallen. Bei sehr hohen X(5/3)/B-Massen haben die Zerfallsteilchen W-Boson und Topquark so hohe Energien, dass deren Zerfallsprodukte im Detektor nur noch als sogenannter "Fat Jet" rekonstruiert werden kann. In der Arbeit soll die Sensitivität einer Suche nach solchen einzeln produzierten Quarks in Assoziation mit einem Topquark untersucht werden, in dem nach zwei entgegengesetzt emittierten Fat Jets gesucht werden soll.

Wer Spass an (LHC-)Datenanalyse und Programmierung hat, ist bei unseren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich genau richtig.


Suche nach schweren rechtshändigen Neutrinos

(ATLAS-Datenanalyse)

Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es nur linkshändige, aber keine rechtshändigen Neutrinos. Die Beobachtung von Neutrinooszillationen zeigt, dass Neutrinos Massen besitzen, die im Standardmodell nicht erklärt werden können. In der einfachsten Erweiterung des Standardmodells, mit der man Neutrinomassen erklären kann, werden rechtshändige Neutrinos eingeführt. Dadurch wird nicht nur ein Dirac-, sondern auch ein Majorana-Massenterm möglich, der über den sogenannten Seesaw-Mechanismus die Kleinheit der Neutrinomassen "erklären" kann. In diesem "Minimalen" Neutrinostandardmodell wird angenommen, dass die Majoranamassen auf der Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung liegen. Das Modell könnte dann die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum und Dunkle Materie zu erklären.

In der Bachelor/Masterarbeit soll mit dem ATLAS-Detektor nach schweren rechtshändigen Neutrinos N im Massenbereich von etwa 5 GeV bis einige 10 GeV gesucht werden, die aus dem Zerfall von einzeln produzierten W-Bosonen entstehen würden:
p + p --> W + X, W --> Lepton + N, N --> Lepton + W (--> q + anti-q).

Wer Spass an (LHC-)Datenanalyse und Programmierung hat, ist bei unseren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich genau richtig.


Suche nach schweren rechtshändigen Neutrinos mit SHiP

(Simulation, Hardware)

In einem neuen Experimentvorschlag (Search for Hidden Particles=SHiP) am CERN-SPS soll nach rechtshändigen Neutrinos im Massenbereich von einigen 100 MeV bis etwa 2,5 GeV gesucht werden. Das Experiment eignet sich ebenfalls für die Suche nach anderen Teilchen in diesem Massenbereich, die in Modellen mit einem sogenannten Hidden Sector vorhergesagt werden, also Teilchen, die nur sehr schwach mit dem Standardmodellsektor koppeln.

Das Experiment funktioniert im Prinzip wie folgt: 400 GeV-Protonen werden auf ein Festkörpertarget geschossen. Rechtshändige Neutrinos würden aus dem Zerfall von dort produzierten D- und D_s-Mesonen entstehen. Diese Neutrinos durchlaufen Hadron- und Myonabsorber und treten dann in ein langes Zerfallsvolumen ein, an dessen Ende der Detektor steht, der ihre Zerfallsprodukte nachweisen kann. Das Zerfallsvolumen wird von einem Flüssigszintillatordetektor umgeben, der Untergrundreaktionen detektieren soll, dem sogenannten Background Tagger.

Beispiele für mögliche Bachelor/Master-Arbeiten:

* Simulation des Experiments: Wir arbeiten an der Planung und Simulation des Experiments, insbesondere des Background Taggers, und vergeben in diesem Bereich Bachelor- und Masterarbeiten.
* Entwicklung und Tests neuartiger Photodetektoren Um die Szintillationsphotonen des Flüssigszintillators zu detektieren, sollen neuartige Photodetektoren, sogenannte WOMs, entwickelt werden. Dabei stellen sich sowohl prinzipielle als auch für den Einsatz bei SHiP spezifische Forschungs- und Entwicklungsfragen.

Wir vergeben Arbeiten im Bereich Simulation als auch Entwicklung und Tests von Detektoren.

Wer Spass am Umgang mit innovativen Teilchendetektoren und/oder deren Simulation hat, ist bei unseren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich genau richtig.


Entwicklung neuartiger Photodetektoren WOMs

(Hardware, Simulation)

Ein Wavelength-shifting Optical Module (WOM) ist ein neuartiger Photodetektor und wurde für die grossvolumige Erweiterung des IceCube-Experiments vorgeschlagen. Wir arbeiten in diesem Bereich eng mit der AG Kowalski zusammen. Mit einem WOM kann man trotz kleiner Kathodenflöche des auslesenden Photomultipliers eine relativ grosse Detektorfläche realisieren. Das Prinzip:
Ein primäres Photon kleiner Wellenlänge trifft auf eine grossflächige Quartzröhre, die von aussen mit einem wellenlängenschiebendem Material dünn beschichtet ist. Die meisten der daraufhin mit längerer Wellenlänge emittierten Photonen werden über Totalreflexion bis zum Ende der Quartzröhre transportiert und dort vom Photomultiplier nachgewiesen.

Während die AG Kowalski WOMs für den Nachweis von Cherenkovphotonen z. B. bei IceCube untersucht, erforschen wir den den Einsatz für Flüssigszintillatordetektoren. Mögliche Arbeitsthemen sind dabei:

* Nachweiseffizienz von Photonen
* Zeitauflösung des Detektors
* Einfluss der Schichtdicke des wellenlängenschiebenden Materials
* Einfluss der Quartzröhrengeometrie
* Alternative Wellenlängenschieber
* Verständnis der Detektion mittels Simulation

Wer Spass an Hardware und/oder Simulation hat, ist bei unseren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich genau richtig.


CKMfitter: Einbau des nuMSM

(Phänomenologie, Programmierung)

Um Ergebnisse von vergangenen und zukünftigen Experimenten im Rahmen des minimalen Neutrinostandardmodells interpretieren zu können, müssen die gemessenen Observablen als Funktion der Modellparameter vorhergesagt werden. Ein Software-Framework, mit dem wir dies schon erfolgreich für die Quarkmischungsmatrix (für drei und vier Fermiongenerationen) realisiert haben, ist das CKMfitter-Paket. Wir arbeiten in diesem Bereich eng mit den beiden Theoretikern Walter Winter (DESY, Zeuthen) und Heinrich Paes (TU Dortmund) zusammen.

Arbeitsthemen in diesem Bereich sind:

* Einbau einer Parametrisierung der Neutrinomischungsmatrix für das minimale Neutrinostandardmodell in das CKMfitter-Paket
* Einbau von Ergebnissen direkter Suchen nach schweren rechtshändigen Neutrinos

Wer Spass an Phänomenologie der Elementarteilchenphysik und Programmierung (in Mathematica) hat, ist in diesem Bereich genau richtig.


Bestimmung des CKM-Matrix-Elements V_ub aus semileptonischen B-Meson-Zerfällen

In der Masterarbeit soll eine Analyse innerhalb des BABAR-Experiments zur Publikation geführt werden.

Wer Spass an Datenanalyse hat und auch gerne intensiv mit externen Wissenschaftlern kollaborieren möchte, findet hier ein interessantes Thema.