Uni-Logo

Bachelor- und Master-Themen

Prof. Dr. K. Jakobs

Experimentelle Elementarteilchenphysik

Gustv-Mie-Haus, 3. Stock

 

Im Zentrum der Forschungsaktivitäten unserer Arbeitsgruppe steht die Beteiligung am ATLAS-Experiment am Europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik, CERN in Genf. In diesem Experiment werden Proton-Proton-Kollisionen bei höchsten Energien von 7 TeV (2011), 8 TeV (2012), und demnächst 13 TeV (ab März 2015) untersucht, mit der Zielsetzung wichtige Schlüsselfragen der Teilchenphysik (Ursprung der Masse, Studien zum neu entdeckten Higgs-Teilchens, Existenz neuer Materieformen,...) zu beantworten. 

Ein Schwerpunkt unserer Aktivitäten im ATLAS-Experiment liegt auf der Analyse der aufgezeichneten Daten: 

  • Untersuchung der Produktion von W- und Z-Bosonen
  • Detailierte Studien der Eigenschaften des Higgs-Teilchens

  • Suche nach neuen, sog. Supersymmetrischen (SUSY) Teilchen

Darüber hinaus führt ein Teil unserer Arbeitsgruppe Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an Halbleiter-Detektormaterialien durch. Ziel dieser Arbeiten ist die Entwicklung von Siliziumdetektoren, die in der nächsten Ausbaustufe des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf zum Einsatz kommen sollen.

 

Detailliertere Informationen zu den einzelnen Forschungsschwerpunkten:

 

(i) Datenanalyse im ATLAS-Experiment

 

Um langfristig nach neuen Physikprozessen (Higgs, SUSY) am LHC suchen und vermessen zu können, müssen zunächst die Detektorsignaturen verstanden werden. Darüber hinaus muss und die Vermessung von Standardprozessen durchgeführt werden, um somit auch eine verlässliche Abschätzung der Untergrundprozesse für die Suche nach neuen Prozessen zu erhalten.

 

Bachelor-Arbeiten werden in die laufenden Forschungsprojekte integriert, d.h. die Bachelor-Student/inn/en arbeiten mit einer kleinen Gruppe bestehend aus Postdoktoranden, Doktoranden und Masterstudenten eng zusammen und bearbeiten innerhalb dieses Teams eigenständig eine wohldefinierte Fragestellung.

 

Vorkenntnisse: Grundvorlesungen, insbesondere Physik V,

Kenntnisse im Umgang mit Computern,

Kenntnisse von C++ oder ROOT (wünschenswert).

 

Mögliche Themen (Stand Februar 2015):

 

 

Bachelorarbeiten:

 

1.) Studien zur Rekonstruktionseffizienz der korrekten Ladung von Elektronen im ATLAS-Detektor

Kontakt: Dr. Karsten Köneke (karsten.koeneke@physik.uni-freiburg.de)

Gustav-Mie-Haus Raum 03-024, Telefon: 0761 203 5753

Elektronen werden im ATLAS-Detektor durch ihre Energiedeposition im elektromagnetischen Kalorimeter und durch die hinterlassene Spur im inneren Spurdetektor rekonstruiert. Hierbei muss die richtige Spur zu der kalorimetrischen Energiedeposition gewählt werden. Dies ist unter gewissen, bisher nicht präzise verstandenen Umständen nicht gewährleistet. Die Wahrscheinlichkeit einer Zuordnung einer falschen Spur nimmt mit der weiter steigende Rate an Proton-Proton-Kollisionen pro Strahlkreuzung zu, da die Dichte an geladenen Teilchen immer größer wird. Die präzise Zuordnung der korrekten Spur zur kalorimetrischen Energiedeposition ist essentiell für die Bestimmung, ob es sich um ein Elektron oder ein Positron handelt. Diese Information ist wichtig, um mit hoher Effizienz Higgs-Bosonen im Zerfall nach zwei W-Bosonen zu selektieren, und essentiell, um genau die wichtige Vektorbosonstreuung im Kanal mit zwei gleich-geladenen W-Bosonen zu messen.

 

2.) Studien von Algorithmen zur Erkennung von b-Quark-Jets

Kontakt: Dr. Christian Weiser (christian.weiser@physik.uni-freiburg.de)

Gustav-Mie-Haus Raum 03-024, Telefon: 0761 203 5753

Der Erkennung von Jets, die aus einem b-Quark entstehen ("B-Tagging"), kommt im ATLAS-Experiment eine hohe Bedeutung zu, da b-Quarks in in vielen interessanten physikalischen Prozessen erzeugt werden (z.B. im Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von b-Quarks). Der ATLAS-Detektor wurde für den demnächst startenden Run-2 mit neuen Detektorkomponenten ausgestattet, die insbesondere eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der B-Tagging-Algorithmen zum Ziel haben. Es können Bachelor-Arbeiten angeboten werden, die das Verhalten der für B-Tagging relevanten Größen in den ersten Daten des Run-2 oder Optimierungsmöglichkeiten der Algorithmen untersuchen. 

 

3.) Untersuchung multivariater Methoden im Kanal WH mit H→bb

Kontakt: Dr. Christian Weiser (christian.weiser@physik.uni-freiburg.de)

Gustav-Mie-Haus Raum 03-024, Telefon: 0761 203 5753

In der Analyse des Zerfalls des Higgs-Bosons in ein Paar von b-Quarks, H->bb, im Prozess der assoziierten Produktion mit einem W-Boson kommen multivariate Methoden zum Einsatz, um den Signalprozess möglichst effizient von Untergrundprozessen zu trennen. Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit sollen verschiedene multivariate Methoden verglichen werden (insbesondere sogenannte "Boosted Decision Trees" und Neuronale Netze) und/oder das Optimierungspotenzial durch eine verbesserte Wahl der in Betracht gezogenen Variablen untersucht werden. 

 

4.) Suche nach schweren Higgs Bosonen im Tau Tau Endzustand

Kontakt: Dr. Lei Zhang (lei.zhang@cern.ch) und Nils Ruthmann (nils.ruthmann@physik.uni-freiburg.de)

Westbau Raum 02-021, Telefon: 0761 203 97892

Verschiedenste Erweiterungen des Standard-Modells (SM) beinhalten neben einem SM-artigen zusätzliche schwere Higgs Bosonen. Der Zerfall solcher Teilchen in ein Paar von Tau-Leptonen ist in manchen Therorien (bspw. supersymmetrischen Erweiterungen) mit einem dominanten Verzweigungsverhältnis vorhergesagt. Aufgrund der erhöhten Schwerpunktsenergie des LHC von 13 TeV in 2015 werden bisher unerreichte Massenbereiche für eine solche Suche zugänglich werden. Diese Suche unterscheidet sich von der Vermessung des SM Higgs Boson durch die dominanten Untergrundprozesse. Im Rahmen eine Bachelorarbeit soll die Ereignisselektion einer solchen Suche optimiert werden. Hierbei spielen nicht nur die Signal- und Untergrundeffizienzen eine wichtige Rolle, sondern auch die Betrachtung wichtiger systematischer Unsicherheiten in der Untergrundabschätzung.

 

Handout zum Säulentag 2015 (pdf)

 


Masterarbeiten:

1.) Studien zur semileptonischen W+W+-Vektorbosonstreuung mit einem Charm-Quark-Jet im Endzustand

Kontakt: Dr. Karsten Köneke (karsten.koeneke@physik.uni-freiburg.de)

Gustav-Mie-Haus Raum 03-024, Telefon: 0761 203 5753 

Die Streuung von zwei Vektorbosonen ist im Standardmodell der Teilchenphysik ein wichtiger Prozess. Der Beitrag der Amplituden, welche den Austausch von Higgs-Bosonen enthalten, ist in diesem Prozess essentiell, um den Wirkungsquerschnitt bei sehr hohen invarianten W-W-Massen nicht divergieren zu lassen. Des weiteren bietet dieser Prozess die Möglichkeit, biquadratische Vektorbosonkopplungen zu studieren und somit mögliche Erweiterungen des Standardmodells einzuschränken. Der voll-leptonische Endzustand hat den Vorteil, dass der enorme Untergrund, welcher durch die starke Wechselwirkung induziert wird, sehr effektiv durch die Selektion gleich-geladener Leptonen unterdrückt werden kann. Allerdings kann die invariante WW-Masse aufgrund der zwei Neutrinos nicht rekonstruiert werden. Dies ist allerdings möglich, wenn eins der beiden W-Bosonen in Hadronen zerfällt; allerdings geht hierbei die Information über die Ladungskorrelation verloren. Diese Information kann man wieder erhalten, wenn man sich auf Ereignisse konzentriert, in denen ein W-Boson in ein Charm-Quark (und ein weiters Antiquark) zerfällt, und das Charm-Quark semileptonisch in ein Myon zerfällt. Hierbei ist die Ladung des Myons mit der Ladung des W-Bosons korreliert und die Möglichkeit der Unterdrückung des durch die starke Wechselwirkung induzierten WW-Untergrund wird teilweise wieder erlangt. Es können Master-Arbeiten angeboten werden, welche diesen Prozess genau studieren und das Potential für diese Messung bestimmen. Das Ziel besteht darin, bei einem positiven Ergebnis einer frühen Machbarkeitstudie, diesen Prozess in Daten zu messen.

 

2.) Studien zur Bestimmung des WW-Untergrund aus WZ-Ereignissen in Daten im H → WW* → lνlν Kanal

Kontakt: Dr. Karsten Köneke (karsten.koeneke@physik.uni-freiburg.de)

Gustav-Mie-Haus Raum 03-024, Telefon: 0761 203 5753 

Im Standardmodell der Teilchenphysik ist der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus dafür verantwortlich, dass die Elementarteilchen eine Masse haben. Das Higgs-Boson, welches aus diesem theoretischen Modell hervorgeht, ist mittlerweile in mehreren Produktions- und Zerfallskanälen etabliert, wobei die Messungen im H → WW* → lνlν Zerfallskanal zu den präzisesten gehören. Um die Präzision der Messungen, und somit die Präzision der zugrunde liegenden Parameter des Modells, weiter zu verbessern, ist es wichtig, die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Insbesondere im Endzustand ohne einen Jet ist der WW-Untergrund dominierend, und die Unsicherheit der theoretischen Beschreibung dieses Untergrunds ist eine der führenden systematischen Unsicherheiten. Es besteht die Möglichkeit, diese Unsicherheit durch direkte Messung von WZ-Ereignissen in Daten deutlich zu reduzieren. Gewisse theoretische Unsicherheiten sind im Verhältnis dieser beiden Prozesse deutlich reduziert. Im Rahmen der Master-Arbeit soll diese Möglichkeit genau studiert werden, und die Ergebnisse im finalen Likelihood-Fit durch eine spezielle Kontrollregion direkt für die Extraktion des Higgs-Boson-Signals verwendet werden.

 

(II) Themen im Bereich Supersymmetrie

 

Supersymmetrie (kurz: SUSY) ist eine theoretische Erweiterung des Standard-Modells (SM), die zu jedem SM-Teilchen einen SUSY-Partner voraussagt. Die Suche nach diesen Partner-Teilchen ist zur Zeit einer der Forschungsschwerpunkte bei ATLAS. Eine besondere Bedeutung hat der Partner des Top-Quarks, das sogenannte Top-Squark (kurz: Stop), da es die quadratischen Divergenzen durch virtuelle Top-Loops im Higgs-Boson-Propagator ausgleicht; momentane Ausschlussgrenzen auf Stops sind deutlich schwächer als auf andere Squarks und Gluinos, was Modelle mit Stop als leichtestem Squark interessant macht. Das leichteste SUSY-Teilchen im minimalen supersymmetrischen SM (MSSM) ist das Neutralino, ein Mischzustand aus Partnerteilchen der neutralen, elektroschwachen Eichbosonen sowie der Higgs-Boson-Partnerteilchen. Da es nicht in leichtere SUSY-Teilchen zerfallen kann, ist es in den meisten SUSY-Modellen stabil, verlässt den Detektor unbemerkt, und ist außerdem ein Kandidat für dunkle Materie.

1.) Fehlender Transversal-Impuls für Top-Squark-Suchen in hadronischen Endzuständen (Bachelor)

Kontakt: Dr. Frederik Rühr (fruehr@cern.ch)
Westbau Raum 02-021, Telefon: 0761/203-97773

Neutralinos verlassen den Detektor ohne mit ihm in Wechselwirkung zu treten und können daher nicht direkt beobachtet werden. Sie machen sich lediglich als scheinbare Verletzung der Impulserhaltung bemerkbar. Verschiedene Methoden zur Bestimmung des fehlenden Transveralimpulses sollen auf ihre Stärken und Schwächen hin untersucht werden. Besonderes Augenmerk soll auf Methoden zur Unterscheidung von tatsächlichem und aus Messungenauigkeiten resultierendem fehlendem Transversalimpuls liegen.

 

2.) Studien zum τ-Veto zur Unterdrückung von Untergrundprozessen bei der Top-Squark-Suche (Bachelor)

Kontakt: Dr. Frederik Rühr (fruehr@cern.ch)
Westbau Raum 02-021, Telefon: 0761/203-97773

Der unten gezeigte Endzustand enthält keine Leptonen, und Ereignisse mit Leptonen sollen daher nicht in der Auswertung verwendet werden (man spricht von einem Veto). Abhängig von den Lepton-Erkennungskriterien kann das Veto zu stark sein (SUSY-Signal mit fälschlich erkanntem Lepton wird verworfen) oder zu schwach (zu viel SM-Untergrund wird akzeptiert). Ein Spezialfall sind τ-Leptonen, die mit ca. 65% Wahrscheinlichkeit hadronisch zerfallen und daher als Teilchen-Jets in Erscheinung treten; nur mit zusätzlichem Aufwand ist das ursprüngliche τ-Lepton als solches zu identifizieren. Mögliche Verbesserungen zum bestehenden τ-Veto sollen untersucht werden.

stop pair production zu susy

 

3.) Zerfälle mit virtuellen Top-Quarks (Master)

Kontakt: Dr. Frederik Rühr (fruehr@cern.ch)
Westbau Raum 02-021, Telefon: 0761/203-97773

Die Massen von Top-Squark und Neutralino sind zunächst freie Parameter. SUSY-Modelle mit verschiedenen Annahmen wurden untersucht und für bestimmte Massenbereiche bereits aus-geschlossen (untere Abbildung). Eine Besonderheit sind Modelle mit kleinen Massendifferenzen, da hier zu wenig Energie zur Erzeugung von reellen Top-Quarks zur Verfügung steht; es resultiert ein Dreikörperzerfall: Stop→b+W+Neutralino. Der Übergangsbereich von Zwei- zu Dreikörperzerfällen soll mit den ATLAS-Daten aus 2015 und 2016 untersucht werden.

 

4.) SUSY-Modelle mit τ-Leptonen im Endzustand (Master)

Kontakt: Dr. Kilian Rosbach (kilian.rosbach@physik.uni-freiburg.de)
Westbau Raum 02-021, Telefon: 0761/203-5749

Anders als Elektronen und Myonen zerfallen τ-Leptonen noch im Detektor, was die Rekonstruktion solcher Endzustände erschwert. Häufig werden Ereignisse mit τ-Lepton-Kandidaten daher nicht verwendet. Es gibt alternative Modelle von Top-Squark Zerfällen, in denen die SUSY-Partner von τ-Leptonen vorkommen (Stau) und τ-Leptonen daher eine wesentliche Rolle spielen. Eine entsprechende Analyse ist zur Zeit in Vorbereitung und bietet verschiedene interessante Möglichkeiten für Optimierungen der Auswahlkriterien für Signalereignisse sowie Untersuchungen zum Verständnis und der Modellierung von Untergrundprozessen.

 

SUSY-Handout zum Säulentag 2016 (pdf)

 

 

(iii) Entwicklung von strahlenharten Siliziumdetektoren

 

An die Siliziumdetektoren, die in der nächsten Ausbaustufe des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf zum Einsatz kommen sollen, werden sehr hohe Anforderungen gestellt: Diese müssen in einem extremen Strahlungsumfeld, welches die bisherigen LHC-Werte um eine Größenordnung übertrifft, über mehrere Jahre bestehen. Weiterhin müssen sie eine geringe Masse, einen minimalen Stromverbrauch sowie eine gute Ortsauflösung von besser als 30 µm aufweisen.

In diesem Bereich vergeben wir ebenfalls Themen für Bachelor- und Master-Arbeiten, die direkt in bei uns laufenden Forschungsprojekte eng integriert sind. Generelle Inhalte sind die Charakterisierung von Silizium-Detektoren auf der Probestation in unserem Reinraum, Untersuchungen der Ortsauflösung durch einen Messstand mit einem gepulsten Infrarotlaser, sowie Messungen der Ladungssammlungseffizienz mittels 2MeV-Elektronen einer Betaquelle.  Die Themenstellung bietet den Einstieg in aktuelle Halbleitertechnologien, ausserdem erlernen Sie die Funktionsweise von Siliziumdetektoren und werden insbesondere mit moderner Elektronik und Datenauswertung vertraut. Wichtige im Rahmen der Arbeit erzielte Resultate können von den Studenten in unseren Kollaborationstreffen am CERN und/oder an anderen Orten selbst präsentiert werden. 

 

Themenvorschläge in der Detektorentwicklung für den LHC und das Luminositätsupgrade des LHCs
(Stand Januar 2015):

Bachelorarbeiten:

 

1) Untersuchung von 3D-Sensoren mit einer radioaktiven Quelle und einem Laserteststand

  •  Vergleichende Messungen typischer Sensorgrößen von neuen Sensortypen
  •  Gegenüberstellung der Messergebnisse zu den erwarteten Ergebnissen
  •  Zusammenarbeit mit dem herstellenden Institut in Italien

 

2) Bau und Untersuchung neuer Ausleselektronik (Hybride) für den Ausbau des ATLAS-Experiments

  •  Zusammenbau neuer Elektronikkomponenten in Zusammenarbeit mit Technikern des Instituts
  •  Überprüfung der Funktionstüchtigkeit und Bestimmung relevanter Größen wie z.B. des Rauschens
  •  Erfahrung im Arbeiten im Reinraum und Präsentation der Ergebnisse innerhalb der ATLAS-Kollaboration

 

3) Systematische und quantitative Untersuchung eines Petalets für den Ausbau des ATLAS-Experiments

  •  Untersuchung eines Prototyps mit mehreren Siliziumdetektormodulen, die auf eine Karbonträgerstruktur geklebt sind
  •  Bestimmung relevanter Größen wie des Rauschens, der Verarmungsspannung, des Temperaturverhaltens
  •  Präsentation der Ergebnisse innerhalb der ATLAS-Kollaboration

  

Master Theses:

1) Assembly and testing of new hybrids and silicon detector modules for the Upgrade of the ATLAS Experiment

  •  Measurements of silicon sensor properties
  •  Prototyping of assembly of new detector components (hybrids and modules) in the clean room
  •  Electrical and mechanical testing of different types of hybrids and modules
  •  Presenting at international Meetings and working within the ATLAS Collaboration

 

2) Investigation of new silicon sensors with charge multiplication and measurements of the electric field distribution in silicon sensors

  •  Measurements of sensor properties with setups using a laser, edge-TCT or a beta source
  •  Improve understanding of the effect of charge multiplication
  •  Determination of electric field in silicon sensors before and after irradiation
  •  Comparison of results to simulation
  •  Presenting at international Meetings and working within the RD50 Collaboration

 

3) Investigation of annealing effects in silicon sensors

  •  Measurements of silicon detector quantities after irradiation
  •  Carrying out temperature treatment of silicon sensors (annealing)
  •  Characterization of silicon sensors after subsequent annealing steps
  •  Presenting at international Meetings and working within the RD50 Collaboration

 

Poster zum Säulentag 2015 (pdf)
 

Vorkenntnisse und Interessen:

Kursvorlesungen,

Kenntnisse im und/oder Interesse am Umgang mit Computern,

Interesse am Aufbau, der Durchführung und Auswertung von Messungen im Labor

 

Interessierten Studentinnen und Studenten bieten wir einen geführten Rundgang durch die Arbeitsgruppe an, um sich ein genaueres Bild von aktuell möglichen Arbeiten und vom Arbeitsumfeld zu machen.

 

Kontakt:

Dr. Susanne Kühn (susanne.kuehn@cern.ch, 2. Stock, Westbau, Tel. 203 8534)

Dr. Ulrich Parzefall (ulrich.parzefall@cern.ch, 3 Stock GMH, Tel. 203 5756)

Prof. Karl Jakobs (karl.jakobs@uni-freiburg.de, 3. Stock GMH, Tel: 203 5713)

 

 

Benutzerspezifische Werkzeuge