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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, Datenanalyse)

Der LHC soll ab etwa 2027 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:
* Bau und Test von Testmodulen
* Charakterisierung von Siliziumsensoren

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


Suche nach schweren rechtshändigen Neutrinos mit ATLAS

(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 wenigen 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 (--> Lepton+Neutrino, 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 Surround 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.


SND@LHC:

(Detektoraufbau, Vorbereitung Datennahme, Datenanalyse)

SND steht für Scattering-and-Neutrino-Detector und ist Bestandteil des vorgeschlagenen SHiP-Experiments. In SHiP soll dieser Detektor verwendet werden, um nach leichter Dunkler Materie am CERN-SPS zu suchen und Wechselwirkungen von allen drei Neutrinotypen, insbesondere von tau-Neutrinos zu untersuchen.

SND@LHC ist ein Vorschlag, einen Prototyp des SND-Detektors in einen Tunnel nahe des Wechselwirkungspunktes zu installieren, um den das ATLAS-Experiment aufgebaut ist.

Mit diesem Detektor sollen dann zum ersten Mal Wechselwirkungen von Neutrinos bei Energien von etwa einem TeV gemessen werden, was auch von Interesse für die Astroteilchenphysik ist. Das Experiment erlaubt es auch, nach leichten dunklen Materieteilchen, die in den primären LHC-Proton-Proton-Kollisionen erzeugt werden könnten, zu suchen.

Der SND@LHC-Detektor wird bis Ende 2021 am CERN aufgebaut und ab Anfang 2022 Daten nehmen. Die HU Berlin ist am Myonsubdetektor zusammen mit der U Bologna, EPFL Lausanne, U Mainz und der U Zürich beteiligt, der aus Plastikszintillatoren, die mit Siliziumphotomultiplier ausgelesen werden, besteht.

Arbeitsthemen in diesem Bereich sind:

* Aufbau, Test und Inbetriebnahme des Detektors am CERN                                                                                                                          

* Teilnahme an der Datennahme am CERN

* Datenanalyse

Wer Spass an Detektoren, Elektronik oder Datenanalyse hat, ist in diesem Bereich genau richtig.


Generische Forschung zu Flüssig- und Plastikszintillatoren:

(Neue Detektorkonzepte und Aufbau und Tests von Prototypen, Datenanalyse)

Im Rahmen des neuen BMBF-Forschungsverbundes High-D, in dem neue Detektorkonzepte für zukünftige Experimente der Kern- und Elementarteilchenphysik entwickelt werden, die räumliche, zeitliche und Energieinformation kombinieren, arbeiten wir an neuen Konzepten von Flüssig- und Plastikszintillatordetektoren:

1) Großflächige Flüssigszintillatordetektoren mit Wavelength-Shifting Optical Modules (WOMs)

    und Siliziumphotomultipliern als Photondetektoren (siehe dazu auch unten)

2) Entwicklung von mit wellenlängenschiebenden Fasern strukturierten Plastikszintillatoren

 

Arbeitsthemen in diesem Bereich sind:

* Design neuer Detektoren
* Aufbau und Tests von Prototypen                                                                                                                          

* Teststrahlmessungen am CERN und/oder DESY

* Datenanalyse

Wer Spass an Detektoren, Elektronik und Datenanalyse hat, ist in diesem Bereich genau richtig.

Entwicklung neuartiger Photodetektoren: WOMs

(Hardware, Datenanalyse, 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 Kathodenfläche des Photomultipliers oder auch Arrays aus Siliziumphotomultipliern eine relativ große Detektorfläche realisieren. Das Prinzip:
Ein primäres Photon kleiner Wellenlänge trifft auf eine großflächige Quartz- oder PMMA-Röhre, 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 WOM-Röhre 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
* Orts- iund Zeitauflösung des Detektors
* Einfluss der Schichtdicke des wellenlängenschiebenden Materials
* Einfluss der WOM-Geometrie
* Alternative Wellenlängenschieber
* Verständnis der Detektion mittels Simulation

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