Bachelor - Lehrstuhl Schaile - LMU

Bachelor-Arbeiten 2013
in experimenteller
Elementarteilchenphysik
21. November 2012
am Lehrstuhl Schaile und in der Arbeitsgruppe Schieck

A Ausbildungsprogramm
Wir bieten im Sommersemester 2013 am Lehrstuhl Schaile in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe
‘Schwere Quarks’ von Prof. Dr. Jochen Schieck ein integriertes Programm, das Ihnen einen vielseitigen
Einblick in die Arbeiten der experimentellen Elementarteilchenphysik gibt. Im Zentrum des
Programms stehen Arbeiten mit engem Bezug zu Forschungsthemen des ATLAS-Experiments am
Large Hadron Collider des internationalen Forschungszentrums CERN in Genf. Wir möchten Ihnen
hierbei Einblicke vermitteln in die physikalischen Ziele des LHC und Analysemethoden für hochenergetische
Teilchenkollisionen, in Detektorkonzepte und Entwicklung neuer Detektorkomponenten und
in Grid-Computing als innovative Technologie der LHC Datenverarbeitung.
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 Primärreaktion aus einem
komplexen Ereignismuster.
Die Teilnahme am Teil I dieses Kurses (15.4.-19.4.13 ganztägig) ist verpflichtend 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 mit 3 SWS wöchentlich finden begleitend
zur 10-wöchigen Bachelor-Arbeit statt. Die Teilnahme am Teil II dieses Kurses wird allen
Bachelor-Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik empfohlen.
Die Teilnahme an einer Klausur zu Teil I und Teil II des Kurses ist Voraussetzung für den Erwerb
von 6 ECTS Punkten im Bereich der Wahlpflichtveranstaltungen des Moduls V.
• Physikalisches Seminar: Moderne Aspekte der Teilchenphysik
Dieses Seminar findet wöchentlich begleitend zur Bachelor-Arbeit statt. 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, 22.4.-1.7.2013) mit aktuellem Bezug zu
unseren Forschungsarbeiten zu einem der nachfolgend aufgeführten Themen.
Weiterhin haben Sie bei uns in Garching die Möglichkeit an einem breiten Spektrum wissenschaftlicher
Veranstaltungen in unserem Forschungsumfeld im Rahmen des ‘BMBF Forschungsschwerpunkts FSP-
101 ATLAS’, des Exzellenzclusters ‘Origin and Structure of the Universe’, der HGF-Allianz ‘Physics
at the Terascale’, des Maier-Leibnitz-Laboratoriums und der ‘Munich Particle Physics School’ teilzunehmen.
Ansprechpersonen: Wenn Sie Fragen zum Programm haben, oder wenn Sie sich bei der Auswahl der
7 angebotenen Themenbereiche beraten lassen wollen, wenden Sie sich bitte an
Prof. Dr. Otmar Biebel (Otmar.Biebel@physik.uni-muenchen.de)
Prof. Dr. Dorothee Schaile (Dorothee.Schaile@physik.uni-muenchen.de)
Prof. Dr. Jochen Schieck (Jochen.Schieck@physik.uni-muenchen.de)
Wenn Sie Interesse an oder Fragen zu einem spezifischen Thema haben, können Sie sich auch direkt an
die angegebenen Kontaktpersonen (email: Vorname.Nachnahme@physik.uni-muenchen.de,
Ausnahmen sind direkt aufgeführt) wenden.
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B Themenkatalog für Bachelor-Arbeiten am LS Schaile
1 Suche nach dem Higgs-Boson
Abbildung 1: Ereignisdarstellung eines Higgs-Kandidaten in ATLAS Daten. Die Selektionskriterien der Analyse
sind für Higgs-Bosonen, die in ein virtuelles und ein reelles Z-Boson zerfallen optimiert. Die beiden Z-
Bosonen zerfallen wiederum nach µ + µ − und e + e − . Die invariante Masse der 4 Leptonen beträgt m(4ℓ) =
122.6 (123.9) GeV ohne (mit) Zwangsbedingungen.
Jüngere Colliderexperimente (LEP, HERA, TeVatron) haben das Standardmodell der Teilchenphysik
mit phantastischer Präzision etabliert. Die Generierung der Massen von Fermionen und Bosonen durch
den Higgs-Mechanismus war allerdings nur sehr indirekt mit experimentellen Hinweisen belegt. Der
Higgs-Mechanismus sagt zwingend mindestens ein physikalisch beobachtbares skalares Teilchen, das
Higgs-Boson, voraus. In einem weltweit mit Spannung verfolgten Seminar im Juli 2012 am CERN
in Genf berichteten die beiden großen LHC Experimente ATLAS und CMS über Fortschritte bei
der Suche nach dem legendären Higgs-Boson. Im August 2012 veröffentlichten beide Experimente
die Entdeckung eines neuen Bosons, dessen Produktions- und Zerfallsraten kompatibel mit einem
Standardmodell Higgs Boson sind.
1.1 Studien zu H → bb Zerfällen bei LHC
Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Eigenschaften des entdeckten Bosons ist der Nachweis aller
theoretisch verhergesagten Zerfallskanäle, insbesonders der Zerfall in ein bb Quark-Antiquark-Paar.
Dieser Zerfall kann am besten in der Produktion eines Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Woder
Z-Boson studiert werden. Zu diesem Endzustand tragen allerdings auch viele Standardmodellprozesse
bei, bei denen die rekonstruierten b-Jets nicht aus dem Zerfall eines Higgs-Bosons stammen.
Zur Unterdrückung dieser Untergrundprozesse können mehrere Methoden in einer Bachelor-Arbeit
untersucht werden:
• Multivariate Techniken für optimale Signal-Untergrund Trennung,
• Verbesserung der Massenauflösung mit Hilfe von, z.B. Myonen,
• Beschränkung der Analyse auf Higgs-Bosonen mit hohem Impuls.
Kontakt: Dr. Michiel Sanders
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1.2 Studien zu H → W + W − Zerfällen bei LHC
Der Zerfall in W-Boson Paare ist ein wichtiger Zerfallskanal für ein Higgs-Boson mit der Masse MH ≈
126 GeV. Zerfallen beide W-Bosonen leptonisch, d.h. in einen Endzustand mit 2 geladenen Leptonen
und 2 Neutrinos, so hat man für diesen Kanal eine klare und gut studierbare Signatur. Verschiedene
Themenbereiche können in jeweils einer Bachelor-Arbeit bearbeitet werden:
• Die Spin-, Ladungs- und Paritätseigenschaften des neuen Teilchens sollen studiert werden. Für
ein Standard Modell Higgs Boson wird J P C = 0 ++ erwartet. Simulationen verschiedener J P C
Hypothesen sollen mit echten Daten des ATLAS-Experiments verglichen werden.
• Verschiedene Effizienzen der Rekonstruktion und Identifikation der Lepton-Spuren sollen anhand
von simulierten ATLAS Daten für eine höhere Schwerpunktsenergie von √ s= 14 TeV studiert
werden.
• Multivariate Verfahren wie z.B. Boosted-Decision-Trees sollen angewendet werden, um Signal-
Ereignisse besser von Untergrund-Ereignissen trennen zu können, als es mit einer Schnittbasierten
Analyse möglich ist.
Kontakt: Dr. Johannes Elmsheuser, Christian Meineck, Bonnie Chow
2 Suche nach Supersymmetrie
Supersymmetrie (SUSY) ist eine hoch-motivierte Erweiterung des Standardmodells (Hierarchieproblem,
Dunkle Materie, Quantengravitation, ...), in der jedem Fermion ein bosonischer Partner zugeordnet
wird und umgekehrt, siehe Abbildung 2. Da man die supersymmetrischen Partner der bekannten
Teilchen noch nicht beobachtet hat, müssen die Partner unterschiedliche Massen haben, d. h.
Supersymmetrie ist eine gebrochene Symmetrie. Es gibt allerdings gute Argumente, dass die Massen
mehrerer SUSY Teilchen in der Reichweite für LHC liegen sollten.
Abbildung 2: Die Standardmodell-Teilchen und ihre supersymmetrischen Partner.
Der Nachweis supersymmetrischer Teilchen aus Kollisionen von Protonen war ein wichtiges Design-
Kriterium für den ATLAS-Detektor. Wir befassen uns mit Modellen, in denen das leichteste supersymmetrische
Teilchen (LSP - lightest SUSY particle) auf Grund eines Erhaltungssatzes stabil ist.
Astrophysikalische Messungen legen nahe, dass ein solches Teilchen weder eine elektrische Ladung
noch eine Farbladung besitzen kann, und daher einen LHC Detektor ohne sichtbare Wechselwirkung
verlässt. Eine typische Signatur aus Zerfallsketten supersymmetrischer Teilchen ist somit die fehlende
transversale Energie im Ereignis. Diese Signatur wird je nach Modell begleitet von Jets und Leptonen,
teilweise dominieren auch Ereignistopologien mit Fermionen der 3. Generation.
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Um verschiedene Möglichkeiten abzudecken, bieten wir in unserer Arbeitsgruppe Themen auf dem
Gebiet der Suche nach Supersymmetrie an, welche die Sensitivität auf ein supersymmetrisches Signal
optimieren oder Strategien für den Ereignistrigger ausarbeiten, damit wertvolle Signaturen mit hoher
Effizienz aufgezeichnet werden.
2.1 Optimierung der Analysestrategie für supersymmetrische Ereignisse
Für die Datennahme 2012 wurden die Analysen so optimiert, dass sie eine maximale Sensitivität
für einige supersymmetrische Modelle bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV aufweisen. ATLAS
wird ab 2015 beginnen Daten bei einer höheren Luminosität und Schwerpunktsenergie (13-14 TeV)
aufzunehmen. Für höhere Schwerpunktsenergien wird jedoch eine erneute Optimierung nötig, natürlich
unter Berücksichtigung der Ergebnisse der aktuell andauernden Analyse.
Es muss überprüft werden, wie sensitiv die Analyse in Bezug auf verschiedene supersymmetrische
Modelle ist. Ein Standardszenario ist das minimale supersymmetrische Modell (MSSM), das insbesondere
für stark wechselwirkende supersymmetrische Teilchen über einen weiten Parameterbereich sehr
hohe Ereignisraten verspricht. Hier reichen die Ausschließungsgrenzen bisheriger Daten jedoch schon
zu sehr hohen Massenrenzen der SUSY-Partner von Quarks und Gluonen. Sollte im Energiebereich
von LHC die elektroschwache Produktion dominieren, braucht man höhere Statistik für den Nachweis
supersymmetrischer Teilchen. Gleiches gilt für Modelle, in denen lediglich die SUSY-Partner der Fermionen
der 3. Generation leicht sind und explizit nachgewiesen werden müssen. Interessant sind auch
Modelle mit fast entarteten supersymmetrischen Spektren (‘compressed spectra’). In diesen Modellen
haben die Teilchen, die aus der Zerfallskette bis zum LSP hervorgehen sehr wenig sichtbare Transversalenergie.
Es lohnt sich daher Analysen auch auf möglichst niedrige Schwellen für die sichtbare
Transversalenergie zu optimieren. Ein weiterer Zugang zu solchen Modellen ist die Ereignisrate isolierter
Jets (sog. Monojets), die aus harter Gluonabstrahlung im Anfangszustand der Parton-Parton
Reaktion hervorgehen und nur von sehr geringer sichtbarer Transversalenergie begleitet werden.
Kontakt: Dr. Federica Legger, Dr. Alexander Mann (a.mann@lmu.de)
2.2 Triggerstrategien
Reaktionen in Proton-Proton-Kollisionen bei LHC erfolgen mit einer Ereignisrate von O(10 9 ) Hz, interessante
Ereignisse wie zum Beispiel die Higgs Boson Produktion haben Raten ≤ O(10 −2 ) Hz. Um
bei solchen Verhältnissen nicht in Konflikt mit heute verfügbaren Bandbreiten der Datenübertragung,
Rechen- und Speicherkapazität zu geraten, muss es eine mehrstufige unwiderrufliche Vorauswahl von
Ereignissen geben. Diese Vorauswahl übernimmt der Ereignistrigger, ein der Aufzeichnung der Daten
vorgeschaltetes programmierbares System, das im ATLAS-Experiment in mehreren Stufen mit
unterschiedlichen Verarbeitungszeiten implementiert ist. Eine ständige Anpassung dieses Triggersystems
auf aktuelle Bedingungen und Ziele der Datennahme ist grundlegend für den Erfolg eines LHC
Experiments bei der Suche nach interessanten Ereignissen.
Die getriggerten Ereignisse enthalten beispielsweise mindestens ein mit bestimmten Merkmalen
als Lepton identifiziertes Teilchen, das einen Mindestimpuls besitzt. Dieser Trigger wurde z.B. für
die inklusive Suche nach Supersymmetrie verwendet. Bereits 2012 wurden erfolgreich kombinierte
Trigger eingesetzt, die sowohl ein Lepton wie auch fehlende transversale Energie verlangen. Jedoch
werden ihre Raten für die Luminositäten bei Schwerpunktsenergien von 13 − 14 T eV zu hoch sein,
und so werden diese Trigger weiterentwickelt, um strengere Triggerkriterien umsetzen zu können. Eine
vielversprechende Möglichkeit ist die Verwendung von Triggern, die gleichzeitig ein Lepton, fehlende
transversale Energie und Jets oder mehrere Leptonen verlangen. Eine Bachelor-Arbeit soll sowohl
die mögliche Ratenreduktion dieser Trigger als auch die Performance in Bezug auf supersymmetrische
Signale untersuchen. Eine alternative Arbeit ist die Weiterentwicklung eines Modells zur Beschreibung
der Raten des Triggers auf fehlende transversale Energie.
Kontakt: Dr. Federica Legger, Dr. Alexander Mann (a.mann@lmu.de)
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3 Physik des Top-Quarks
Abbildung 3: Kandidat für ein tt Ereignis mit 6 Jets.
Das top-Quark hat viele Besonderheiten im Vergleich zu den anderen Quarks. So hadronisiert es aufgrund
seiner hohen Masse nicht und ’vererbt’ seine Eigenschaften so direkt an seine Zerfallsprodukte.
Da bis heute noch nicht alle seine vorhergesagten Eigenschaften überprüft werden konnten, stellt
es auch weiterhin ein interessantes Studienobjekt dar. Der LHC mit seiner hohen Luminosität und
Schwerpunktsenergie wird eine top-Fabrik sein und somit Messungen zum top-Quark erstmals mit
hoher Statistik ermöglichen.
3.1 Messung der Top-Quarkmasse in Top-Antitop-Z Reaktionen
In Proton-Proton Kollisionen, wie sie aktuell bei LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV stattfinden,
entstehen Top-Quarks hauptsächlich in Top-Antitop-Paaren. Gemäß Standardmodellvorhersage
zerfallen diese beinahe ausschließlich in jeweils ein b-Quark sowie ein W-Boson, welches wiederum in
zwei leichte Quarks zerfallen kann. Um nun die Top-Quarkmasse zu bestimmen, müssen alle Zerfallsprodukte
experimentell gemessen werden. Da die Quarks nur als Teilchenbündel, so genannte Jets, im
ATLAS-Detektor nachweisbar sind, sind ausgefeilte Korrekturen notwendig, um die korrekte Energie
des Quarks aus dem im Detektor gemessenen Jet zu erhalten. Daraus resultieren große Unsicherheiten
für den experimentell bestimmbaren Wert der Top-Quarkmasse.
Ein Trick, diese Unsicherheiten erheblich zu vermindern, besteht darin, die präzise bekannte W-
Bosonmasse für die Korrektur der Jetenergien zu verwenden. Damit kann allerdings nur die Energiemessung
der leichten Jets auf den W-Bosonmassenwert bezogen werden. Um auch den b-Quarkjet mit
einem solchen Trick an eine präzise bekannte Teilchenmasse zu knüpfen, kann man eine Reaktion betrachten,
bei der nebem dem Top-Antitop-Quarkpaar noch ein Z-Boson entsteht, welches in ein Paar
von b-Quarks zerfällt. Auf diese Weise wäre es möglich, die experimentell gemessenen Energien aller im
top-Quarkzerfall auftretenden Jets an die sehr genau bekannte Teilchenmassen von W- und Z-Boson zu
knüpfen. Diese Bachelor-Arbeit soll mittels einer Simulationsstudie die prinzipielle Möglichkeit, experimentelle
Herausforderungen und Limitierungen einer Top-Quarkmassenbestimmung in t¯tZ-Reaktionen
untersuchen.
Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel, Stefanie Adomeit
3.2 Neue Methoden zur Top-Quarkmassenbestimmung
Bislang erfolgt die Bestimmung der Top-Quarkmasse durch die präzise Vermessung von Energie und
Impuls der Zerfallsprodukte. Damit hängt aber die experimentelle Präzision der Top-Quarkmasse von
der Genauigkeit ab, mit der diese Energien und Impulse mit dem ATLAS-Detektor gemessen werden
können. Letztlich ist es die so genannte Energiekalibration der Messungen in den Kalorimeter, welche
die Skala für die erreichbare Genauigkeit festlegen. Nur mit großem Aufwand kann man die Präzision
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der Energiekalibration weiter verbessern. Und dieser Aufwand ist jedesmal neu aufzubringen, wenn
etwa an den Betriebsbedingungen des Detektors oder sogar des Beschleunigers verändert wird. Diese
Beschränkung der Genauigkeit der Energiekalibration äußert sich in einer systematischen Unsicherheit
für die Top-Massenbestimmung.
Mit alternativen Messmethoden kann diese Beschränkung möglicherweise vollständig vermieden
werden. Ein solcher Ansatz nutzt die Besonderheit der Kinematik eines top-Quarkzerfalls aus, um
aus den Winkeln zwischen den Zerfallsprodukten deren Energie zu berechnen. Damit kann dann die
top-Quarkmasse experimentell mit minimaler Abhängigkeit von der Energiekalibration bestimmt und
deren bislang immer vorhandene systematische Unsicherheitsbeiträge vermieden werden. Bevor diese
neuartige Methode tatsächlich eingesetzt werden kann, soll sie mit dieser Bachelor-Arbeit weiter
systematisch anhand von Simulationsdaten untersucht werden.
Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel
3.3 Bestimmung des CKM-Matrixelements Vts
Das Top-Quark zerfällt nach Vorhersage des Standardmodells mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa
99,8% in ein b-Quark und in ein assoziiertes W-Boson. Die Zerfälle in strange-Quark bzw. down-
Quark (t → d + W und t → s + W ) sind hingegen stark unterdrückt und wurden bisher noch nicht
bei Messungen nachgewiesen. Ein Grund hierfür liegt in der geringen Anzahl der erzeugten Top-
Quarks bei den Vorgängerexperimenten des LHCs. Eine direkte Beobachtung dieser Zerfälle wäre ein
großer Fortschritt, da aus diesen die Matrixelemente |Vtd| und |Vts| der CKM-Matrix abgeleitet werden
können, was eine Überprüfung theoretischer Vorhersagen erlaubt. Beispielsweise könnte dadurch eine
vierte Quarkgeneration vorhergesagt oder in bestimmten Bereichen ausgeschlossen werden.
Eine Bestimmung dieser Matrixelemente an anderen Experimenten gelang bisher nur indirekt mithilfe
von Oszillationen neutraler B-Mesonen. Am ATLAS Experiment wird es nun auf Grund der
höheren Top-Ereignisraten möglich sein, die Zerfälle t → d + W und t → s + W direkt zu untersuchen.
Allerdings gibt es bisher keine einfache Möglichkeit die bei diesen seltenen Zerfällen auftretenden
strange-Quarks und down-Quarks voneinander zu unterscheiden. Die Matrixelement |Vtd| und |Vts|
wären daher nur in Kombination zu bestimmen und nicht separat. Aus diesem Grund soll bei dieser
Arbeit untersucht werden, ob sich die entstehenden strange- und down-Quarks durch einzelne Kriterien
voneinander unterscheiden lassen. Auch eine Kombination verschiedener Variablen (beispielsweise
durch neuronale Netzwerke) könnte zur Bestimmung der einzelnen Beiträge verwendet werden.
Kontakt: Christopher Schmitt, Prof. Dr. Otmar Biebel
4 QCD-Studien
4.1 Studien zum ‘Underlying Event’ in pp-Kollisionen bei LHC
Durch die innere Struktur der Protonen, die bei LHC zur Kollision gebracht werden, treten eine Vielzahl
unterschiedlicher Wechselwirkungsreaktionen auf. Es findet nicht nur ein harter Stoß zwischen
zwei Partonen der Protonen statt, sondern die übrigen Protonbestandteile weisen ebenfalls Wechselwirkungen
auf. Diese Prozesse nennt man das ‘underlying event’. Diese überlagern sich mit dem harten
Stoß und müssen daher absepariert werden, um die Untersuchung des harten Stoßprozesses nicht zu
verfälschen.
Eine in den letzten Jahren in München entwickelte Methode soll diesen Beitrag korrigieren. Dabei
charakterisiert der niederenergetischste Jet innerhalb eines Ereignis das Underlying Event. Der
Vorteil gegenüber etablierten Methoden, ist die Möglichkeit, das Underlying Event für jedes Ereignis
separat zu bestimmen. Eine eingeführte Gewichtungsfunktion gibt dabei die Wahrscheinlichkeit für
ein Teilchen an, ein Anteil des harten Stoßes zu sein oder als Beitrag des Underlying Events gezählt zu
werden. Mithilfe der in der Bachelor-Arbeit durchzuführenden Untersuchung, soll die Methode weiter
verbessert werden, indem der räumliche Abstand der Teilchen zu den harten Jets als weitere Variable
implementiert wird. Darüber hinaus soll die Methode mit aktuellen Underlying-Event-Modellen
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Proton Proton
Beam-Beam
Remnants
Auslaufendes
Parton (Hart)
Auslaufendes
Parton (Hart)
FSR: Gluon-
Emission
Beam-Beam
Remnants
ISR: Gluon-
Emission
Multiple Parton
Interaction
Abbildung 4: Veranschaulichung einer Proton-Proton Kollision mit Überlagerung eines Minimum-Bias Ereignisses.
überprüft werden.
Kontakt: Christopher Schmitt, Prof. Dr. Otmar Biebel
5 Detektor-R&D zum Teilchennachweis
Abbildung 5: Detektor R&D am Tandem-Beschleuniger des Maier-Leibnitz-Laboratoriums
5.1 Micropatterndetektoren
Micromegas und GEM (gaseous electron multiplier) sind moderne gasgefüllte Detektoren mit mikrostrukturierter
Streifenanodenauslese, für die es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der fundamentalen
Forschung, wie in der Hochenergiephysik, oder interdisziplinär, wie in der Medizinforschung,
gibt. Sie ermöglichen eine sehr gute Ortsauflösung von besser 40µm und können Teilchen auch bei
sehr hohen Raten noch mit hoher Effizienz und Genauigkeit detektieren.
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Mit vorhandenen GEM oder Micromegas Detektoren soll experimentell deren Empfindlichkeit auf
Röntgenstrahlung optimiert werden und dann mithilfe eines Schattenbildes eines dünnen Wolframdrahtes
die Ortsauflösung überprüft werden.
In diesem Zusammenhang bieten wir als zweites Thema die Simulation dieser Detektoren mithilfe
der Programmpakete Garfield und Magboltz aus der CERN Bibliothek an. Zunächst steht hierbei das
Verständnis der Elektronendrift im Driftbereich der Detektoren im Vordergrund. Alternativ interessiert
aber auch, ob durch Veränderungen an den Detektoren, z.B. durch Invertierung der Hochspannung,
nicht ein verbesserter Nachweis für Röntgenquanten erreicht werden kann.
Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel, Dr. Ralf Hertenberger
5.2 Ortsauflösender Myon Detektor mit SiPM-Auslese
Silizium Photomultiplier (SiPM) sind neuartige Halbleiterdetektoren zur Messung kleinster Lichtmengen.
Sie bestehen aus einem Array lichtsensitiver Silizium-Pixel, deren Größe im µm-Bereich liegt.
Die einzelnen Pixel werden als Avalanche-Photo-Dioden betrieben, beim Auftreffen eines Photons löst
das durch Photoeffekt entstehende Elektron eine Geiger-Müller artige Verstärkungslawine in einem
der Pixel aus. SiPMs sind daher sensitiv auf einzelne Photonen. Das Ausgangssignal ist beim Einfall
mehrerer Photonen wegen der Kopplung vieler Pixel im Array trotzdem proportional zur Anzahl der
Photonen.
Wir verwenden SiPM’s, um die von kosmischen Myonen in einem Szintillator mit trapezförmigem
Querschnitt erzeugte Lichtmenge zu messen. Diese ist proportional zum Durchgangsort des Myons.
Das erzeugte Licht wird dabei mittels wellenlängenschiebender Fasern im Szintillator gesammelt und
zum SiPM geführt. Ziel dieser Detektorentwicklung ist es, Ortsinformation über den Durchgangsort
des Muons zu erhalten.
Die Aufgabe im Rahmen dieser Bachelor-Arbeit besteht in der Simulation der Ausbreitung des Lichts
im Szintillator. Hierbei interessiert unter anderem, wie die Reflexion an der Schrägseite des Trapezes
die Lichtverteilung beeinflusst und wie die Position der lichtsammelnden Faser optimiert werden kann.
Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel, Alexander Ruschke
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C Themenkatalog für Bachelor-Arbeiten in der AG Schieck
6 Physik mit B-Mesonen am ATLAS-Detektor
Abbildung 6: Spektrum der invarianten Masse von BS-Mesonen, die mit dem Zerfall BS → J/ψφ rekonstruiert
werden. Dieser Zerfallskanal ist besonders sensitiv auf mögliche Beiträge neuer Physik.
6.1 Indirekte Suche nach Physik jenseits des Standard Modells mit B-Mesonen
Eine präzise Vermessung von B-Meson-Zerfällen erlaubt eine indirekte Suche nach Physik jenseits des
Standard Modells. Neue Teilchen können dabei in Schleifenkorrekturen auftauchen und Messobserva-
blen signifikant vom Standardmodellwert abweichen. Der Zerfall BS → J/ψφ ist besonders sensitiv
auf neue Teilchen, die in der Mischung zwischen dem BS und seinem Antiteilchen ¯
BS auftauchen. Um
Beiträge von Physik jenseits des Standard Modells zu bestimmen muss man die zeitliche Entwicklung
des Zerfalls präzise studieren. Bisher wurden die Ereignisse mit Hilfe einer schnittbasierten Auswahl
selektiert. Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit soll eine verbesserte Selektion, die auf multivariaten
Methoden basiert, entwickelt werden.
Kontakt: Prof. Dr. Jochen Schieck
7 Studien zum BELLE II-Pixeldetektors am KEKB-Beschleuniger
in Japan
Im Belle II-Experiment am KEK-Beschleunigerlabor in Japan werden ab dem Jahr 2015 Ereignisse mit
B-Mesonen im Endzustand in extrem hoher Anzahl prodzuiert und mit höchster Präzision vermessen.
Mit der Analyse dieser Zerfälle ist man sensitiv auf Physik jenseits des Standard Modells, das sich
durch Teilchen in Schleifenkorrekturen manifestieren kann. Der Spurdetektor der sich am nächsten
zum Wechselwirkungspunkt befindet wird von einer Gruppe europäischer Universitäten gebaut. Die
LMU entwirft und baut die Spannungsversorgung und entwickelt Software für die Rekonstruktion der
B-Meson-Zerfallsprodukte.
7.1 Entwicklung eines Testsystems für die Spannungsversorgung
Die Spannungsversorgung umfasst mehr als 880 Kanäle und diese hohe Anzahl erfordert es, eine automatische
Testprozedur zu entwickeln. Das Testsystem soll Volllasttests durchführen, die Überwachung
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Abbildung 7: Modell des Pixeldetektors für das Belle II-Experiment am KEKB-Beschleuniger in Japan.
von Start- und Stoppsequenzen und Fehler der Spannungsversorgung simulieren können. Für die Entwicklung
dieses Testsystems werden zwei Bachelor-Arbeiten für Hardware- und Softwareentwicklung
angeboten:
• Entwicklung der Elektronik für ein Testsystems der Spannungsversorgung des Pixeldetektors
Ziel der Bachelor-Arbeit wird es sein, Hardware für ein Testsystem für einen Protoytpen der
Spannungsversorgung des Pixeldetektors zu entwickeln. Das Testsystem soll entwickelt werden
und ausführlich auf Funktionsfähigkeit getestet werden. Danach sollen mit diesem Testsystem erste
Überprüfungen eines Prototypen der Spannungsversorgung durchgeführt werden. Die Arbeit
ist geeignet für Studenten mit Interesse an Elektronik und Hardware.
• Entwicklung der Software zur Steuerung des Testsystems der Spannungsversorgung
des Pixeldetektors
Für das Testsystem soll Steuerungssoftware entwickelt werden. Die Software kann, je nach Erfahrung,
in C/C++ oder LabView programmiert werden. Gemeinsam mit dem Studenten der
für den Hardwareteil der Entwicklung verantwortlich ist, sollen Tests durchgeführt werden. Die
Arbeit richtet sich an Studenten mit Interesse an Programmierung.
Kontakt: Dr. Stefan Rummel, Prof. Dr. Jochen Schieck
7.2 Studien zur Spurrekonstruktion mit dem Pixeldetektor
Geladene Spuren hinterlassen in den verschiedenen Detektorschichten Treffer, die mittels Software
zu Bahnkurven der dazugehörigen Teilchen zusammengefügt werden. Mit den Bahnkurven kann der
Impuls, der räumliche Ursprung (”Vertex”) und die Lebensdauer der Teilchen bestimmt werden. Im
Rahmen der Bachelor-Arbeit soll der Einfluss verschiedener Randbedingungen auf diese Messungen
untersucht werden. Solche Randbedingungen sind z.B. ungenau bekannte Detektorpositionen oder
Magnetfelder.
Kontakt: Dr. Tobias Schlüter, Prof. Dr. Jochen Schieck
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