Deprecated: Creation of dynamic property rbsGalleryAddons::$path is deprecated in /var/www/html/wp-content/plugins/robo-gallery/app/extensions/manager/class.addons.php on line 54 Deprecated: Creation of dynamic property rbsGalleryDashboard::$tag is deprecated in /var/www/html/wp-content/plugins/robo-gallery/app/extensions/dashboard/class.dashboard.php on line 46 Master theses subjects 2020-2021 – Experimental Particle Physics and Gravity

CMS

Subjects:

Search for the flavour-changing neutral Higgs interactions with top quarks at CMS

Contact person: Kirill Skovpen

Flavour-changing neutral currents (FCNC) are among the rarest processes in the Standard Model (SM). The probe of the FCNC interactions of a top quark with a Higgs boson represents an excellent probe of various beyond the SM theories. The study includes the search for the top quark FCNC decays in the top quark pair production process, as well as the probe of FCNC effects in the single top associated production with a Higgs boson. The data collected by the CMS detector will be used to perform the study. One of the tasks in this analysis is to develop an event selection criteria to identify the FCNC processes with a potential use of various Machine Learning techniques. The analysis will be done with the ROOT toolkit using Python and C++ programming languages.

Enlightening the top quark: a study of the interaction of a top quark and a photon with the CMS detector

Contact person: Kirill Skovpen

The distinctive properties of the top quark put it in a special place of the Standard Model (SM). A precise study of the strength of the interaction of this particle with other fundamental constituents represents an important test of the SM predictions. The study of the processes with the production of a top quark in association with a photon represents a direct probe of the electroweak charge and interaction couplings of the top quark, as well as provides a handle to search for various new physics effects. The proposed analysis will cover the study of the kinematic properties of the processes with the production of top quark pairs with one or more photons in the final state with the CMS detector. The possible tasks include the study of the photon identification in data, as well as the development of the event selection criteria exploiting the full event reconstruction. A potential gain from the use of Machine Learning techniques will also be explored. The analysis will be done with the ROOT toolkit using Python and C++ programming languages.

Rediscovering the Higgs boson at CMS

Contact person: Kirill Skovpen

The exact mass generation mechanism still remains to be an open question in particle physics. The study of the Higgs boson production represents the direct probe of the Higgs boson couplings to other fundamental constituents of nature. Any deviations in the measured values of these parameters from the SM predictions would directly point to the new physics phenomena. The study is proposed for the analysis of the CMS detector data to rediscover the Higgs boson in one of its production processes by additionally involving Machine Learning techniques to further boost the final sensitivity in the analysis. The proposed studies will be done with the ROOT toolkit using Python and C++ programming languages.

A study of displaced tracking efficiency using neutral kaon decays in the CMS detector

Contact person: Luka Lambrecht

The CMS detector at the CERN LHC was designed for the detection and accurate reconstruction of particles emerging directly from the proton-proton collisions at the detector center. However, some extensions to the standard model of particle physics include undetectable particles that only decay to detectable particles at a relatively large distance from the detector center. The goal of this thesis project is to quantify the efficiency of the CMS detector for this kind of so-called displaced objects, using a partly data-driven technique. The focus will be on the decay of the neutral K-meson to two charged pions. Since the K-meson itself is invisible to the inner part of the detector and has a relatively long lifetime, its decay to two pions yields a similar signature as the exotic ‘beyond standard model’ scenarios one is typically investigating. Using both simulated events and actual data, we will try to measure the efficiency of CMS for measuring displaced decays and estimate the uncertainty on this measurement. This thesis project will be carried out using the programming languages Python and C++.

After the completion of this thesis project, the student will have

– gained insight in the design, technology and software of one of the most advanced particle detectors in the world, situated at the largest particle accelerator ever built.

– improved his or her programming skills in the field of data analysis and visualization.

– collaborated in an international environment at the frontier of fundamental science.

Detector R&D

Muon radiografie met behulp van gasgevulde detectoren

Contact person: Michael Tytgat (michael.tytgat at ugent.be)

Situering: Muon radiografie is een relatief nieuwe beeldvormingstechniek, gelijkaardig aan medische radiografie, die gebruikt wordt voor het scannen van grote geologische of archeologische structuren. De deeltjesbundel, in dit geval gevormd door muonen afkomstig van het verval van kosmische straling, zal bij doorgang van materie geattenueerd worden. Een vergelijking van de geattenueerde muonbundel met de muon flux gemeten in de vrije omgeving geeft een beeld van de dichtheid van de gescande materie. Deze techniek wordt meer en meer ingezet voor het scannen van b.v. piramides, tempels, geologische breuken, vulkanen en men denkt er nu zelfs over om ze ook te gebruiken tijdens planetaires missies naar b.v. Mars. De muondetectoren dienen over een goede plaats- en tijdsresolutie te beschikken, en moeten voldoende autonoom kunnen functioneren om als radiografie-station te kunnen dienen. In dit geval zal gebruik gemaakt worden van gasgevulde detectoren, zijnde ofwel Resistive Plate Chambers (RPCs) of Micropattern Gaseous Detectors (MPGDs); beide types zijn vlakke plaat detectoren met voldoende detectie-efficientie en plaatsresolutie voor deze toepassing.

Onderwerp: Voor deze thesis wordt iemand gezocht die mee wil werken aan de ontwikkeling van een op gasdetectoren gebaseerde telescoop voor muon radiografie. In de praktijk gaat het over het ontwerp, de bouw en het karakteriseren van geschikte detectoren (RPCs/MPGDs/…) in het Gentse detectorlab. We vertrekken van gekende ontwerpen uit andere experimenten waarbij de Gentse groep betrokken is en proberen deze zodanig aan te passen dat de detectoren bruikbaar worden voor de beoogde toepassing. Belangrijk hierbij is ervoor te zorgen dat de detectoren geschikt worden voor installatie en bedrijf in de buitenlucht, op vaak verlaten en geisoleerd terrein. Gebouwde prototypes van detectoren kunnen getest worden met behulp van kosmische straling of X-stralen in het Gentse detectorlab. Indien gewenst kan er ook gewerkt worden aan computersimulaties van de gebruikte detectoren, enerzijds om het ontwerp van de telescoop te optimaliseren, anderzijds om toekomstige analyse van de metingen voor te bereiden.

Ontwikkeling en karakterisering van een nieuwe generatie gasgevulde detectoren

Contact person: Michael Tytgat (michael.tytgat at ugent.be)

Situering: De Large Hadron Collider (LHC) in het CERN te Genève is momenteel de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Deze 13 TeV proton-proton botser wordt algemeen aanzien als de machine waarmee nieuwe fysica-ontdekkingen in het voordien onontgonnen energiegebied in de Teraschaal mogelijk worden. Het tot nu toe belangrijkste, wereldbekende resultaat van de LHC is de ontdekking in 2012 van het zogenaamde Higgs boson, dat aan de oorsprong ligt van de massa van elementaire deeltjes. Naar de toekomst toe wordt nu al gewerkt aan mogelijke opvolgers of complementaire machines voor de LHC. Dit gaat zowel over versnellers die nieuwe metingen met hoge precisie kunnen uitvoeren van b.v. het Higgs boson, alsook over in vergelijking met de LHC nog grotere versnellers die met een nog hogere massacentrumenergie van orde 100 TeV zullen werken. De Gentse onderzoeksgroep Elementaire Deeltjesfysica is nauw betrokken bij het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment aan de LHC en werkt in het bijzonder aan het detectiesysteem voor muonen. Muondetectie is heel belangrijk aangezien er tijdens de botsingen in de LHC veel muonen geproduceerd worden als vervaldeeltjes van zwaardere deeltjes, zoals het Higgs-boson. De Gentse groep werkt specifiek aan zogenaamde Resistive Plate Chambers (RPCs) en Gas Electron Multipliers (GEMs) detectoren in CMS; dit zijn beide dunne, vlakke plaat gasdetectoren die voor allerlei toepassingen ingezet kunnen worden en die in CMS als trigger en tracking detectoren in het muonsysteem gebruikt worden. Naast CMS is de Gentse groep ook betrokken bij de voorbereiding van nieuwe gasgevulde detectoren voor eerdervermelde toekomstige versnellers.

Onderwerp: Voor deze thesis wordt iemand gezocht die mee wil werken aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie van gasgevulde detectoren voor toekomstige experimenten. Specifiek gaat dit over GEM-achtige detectoren, zogenaamde Fast Timing Micro-pattern Gas Detectors, waarbij we proberen om de tijdskarakteristieken van dit soort detectoren te verbeteren. In de praktijk gaat het over het ontwerp, de bouw en het karakteriseren van (kleine en grote) prototypes van detectoren. Eens de prototypes gebouwd zijn kunnen deze getest worden met behulp van kosmische straling of X-stralen in het Gentse gasdetectorlab. Er kan in dit verband ook gewerkt worden aan computersimulaties van dit soort detectoren teneinde het ontwerp en de werking ervan beter te begrijpen. In het kader van dit project maakt de Gentse onderzoeksgroep deel uit van diverse internationale samenwerkingsverbanden; een korter of langer verblijf in een van onze partnerinstituten behoort dan ook tot de mogelijkheden bij deze thesis. Voorts neemt de groep regelmatig deel aan testmetingen van dergelijke detectoren met behulp van testbundels aan versnellers; de student kan eventueel ook meewerken aan deze metingen en aan de analyse van dergelijke meetgegevens.

SoLid

Contact persoon: Giel Vandierendonck

In verschillende short-baseline neutrino experimenten worden anomalieën waargenomen in het anti-neutrino energiespectrum. Een correcte energie calibratie van een detector is daarom essentieel om deze anomalieën grondig te kunnen ondezoeken. Het SoLid experiment gebruikt voor haar calibratie radioactieve bronnen als Na22 en AmBe die via een in-situ robot de volledige detector kunnen bereiken. Deze methodes zijn succesvol gebleken maar kampen met hun limitaties. Zo kan bijvoorbeeld elke bron gebruikt worden om voor slechts een discrete energie waarde te calibreren. Ook worden de bronnen uit praktische overwegingen niet aan de volledige detector blootgesteld. Een mogelijke nieuwe methode om te calibreren is het gebruik van cosmische muonen. Cosmische muonen doorkruisen in grote getallen de volledige detector en zetten daarbij grote hoeveelheden energie af. Door gebruik te maken van de segmentatie van de detector kan voor verschillende discrete energie waarden de detector gecalibreerd worden. Ook kan via de muonen elke positie in de detector onderzocht worden. Het doel van deze thesis is om met bestaande reconstructie algoritmes zelfstandig deze nieuwe vorm van calibreren te onderzoeken. Enerzijds moet de bestaande calibratie van het SoLid experiment geverifieerd worden, anderzijds moet het bestaande aantal calibratie punten uitgebreid worden via deze nieuwe methode.

Icecube

More subjects for 2020-2021 to be announced soon

For an impression of possible subjects in the IceCube, SoLid or CMS detector groups:

2019-2020



1.IceCube

The IceCube Neutrino Observatory: Cosmic Rays & Hadronic Interaction Models

Supervisors: Alessio Porcelli, Stef Verpoest

Context:

Over 100 years after their discovery, the origin of cosmic rays remains uncertain. Some sources which could potentially explain the extreme energies of these particles (up to 10^20 eV) are supernova remnants and gamma ray bursts. To discern between several acceleration and propagation scenarios, it is important to accurately measure the cosmic ray composition: how many protons and/or heavier nuclei do we see at each energy? Cosmic rays with energies larger than 1 PeV can however only be indirectly observed via Extensive Air Showers (EAS), particle cascades resulting from interactions of cosmic rays in the Earth’s atmosphere. Due to the indirect measurement method, these studies depend strongly on accurate simulations of the air showers and models of the physical processes which govern their evolution. Disagreements between data and simulation as well as between several experiments hint at problems in the models that describe hadronic interactions in the showers at energies inaccessible by man-made accelerators. These problems present currently the largest uncertainties in cosmic ray composition analyses.


The IceCube Neutrino Observatory, by detecting the particles from such showers using the combination of the 1 km^3 in-ice detector and its surface component IceTop, is suited for cosmic ray studies in the PeV to EeV energy range. Moreover, for the IceCube-Gen2 project three different kinds of detectors are being installed on the surface for cosmic ray studies: an array of scintillators directly on top of IceTop tanks, an array of Imaging Air Cherenkov Telescopes (IACT) and an array of radio antennas. Combining information from these new detectors with the existing detectors will lead us to better measurements of the energy spectrum and mass composition, as well as a more detailed understanding of the EAS and a unique way to experimentally test the hadronic interaction models.

Subjects:

Mass Composition & Hadronic Interaction Models combining IceTop and IceCube

By combining measurements of electrons, photons and low-energy muons in IceTop and high-energy muons deep inside the ice, the mass composition and energy spectrum of cosmic rays can be reconstructed. The measurement of these different air shower components also provides a unique opportunity to probe the internal consistency of the hadronic interaction models and their influence on cosmic ray composition studies. The goal of this thesis is to contribute to improving the current analysis.

First analysis combining IceTop and scintillator array measurements

With the IceCube-Gen2 upgrade, on the surface an array of scintillators is being installed just a few meters above the tanks of IceTop. They will allow a better measurement of the particle density on the ground. Combining with IceTop, an improved resolution and understanding of extensive air showers is expected. The proposed thesis will cover the combined analysis, firstly using simulations and then, possibly, the very first real data.

Electromagnetic showers from IceTop and the new IceCube-Gen2 detectors

Among the new IceCube-Gen2 detectors, an array of Imaging Air Cherenkov Telescopes called IceACT and an array of radio antennas are planned; right now, prototypes are being tested. In one year the first mini-arrays for both instalments will be in function. With both detectors it is possible to measure different observables related to the mass of the primary particle independently, but using both together will provide a complete overview of the electromagnetic component of the extensive air shower. This will lead to a multi-signal analysis able to constrain and correlate the observables, and to possible tests of the internal consistency of the hadronic interaction models from the soft component perspective. The proposed thesis will cover the first study of the combined measurement and how this information can be efficiently combined with the one provided by the IceTop array.

Energy Scale in IceTop

The calibration of IceTop’s absolute energy scale and its systematic uncertainty has a crucial role for both the mass composition and the flux measurement of cosmic rays. The importance of its precision has recently become more relevant due to the increasing interest in a meta-analysis among all cosmic rays experiments to solve the hadronic interaction models puzzle. Because of this interest and the recent improvements in IceCube analysis, the energy scale calibration must be updated with more statistics and better simulations to obtain a better precision. This challenging proposed thesis will lead the student to study this crucial feature and possibly test new approaches to improve the uncertainty on this property.

Muon radiografie met behulp van gasgevulde detectoren

Begeleider: Michael Tytgat (michael.tytgat at ugent.be)

Context:

Muon radiografie is een relatief nieuwe beeldvormingstechniek, gelijkaardig aan medische radiografie, die gebruikt wordt voor het scannen van grote geologische of archeologische structuren. De deeltjesbundel, in dit geval gevormd door muonen afkomstig van het verval van kosmische straling, zal bij doorgang van materie geattenueerd worden. Een vergelijking van de geattenueerde muonbundel met de muon flux gemeten in de vrije omgeving geeft een beeld van de dichtheid van de gescande materie. Deze techniek wordt meer en meer ingezet voor het scannen van b.v. piramides, tempels, geologische breuken, vulkanen en men denkt er nu zelfs over om ze ook te gebruiken tijdens planetaires missies naar b.v. Mars.

De muondetectoren dienen over een goede plaats- en tijdsresolutie te beschikken, en moeten voldoende autonoom kunnen functioneren om als radiografie-station te kunnen dienen. In dit geval zal gebruik gemaakt worden van gasgevulde detectoren, zijnde ofwel Resistive Plate Chambers (RPCs) of Micropattern Gaseous Detectors (MPGDs); beide types zijn vlakke plaat detectoren met voldoende detectie-efficientie en plaatsresolutie voor deze toepassing.

Onderwerp:

Voor deze thesis wordt iemand gezocht die mee wil werken aan de ontwikkeling van een op gasdetectoren gebaseerde telescoop voor muon radiografie. In de praktijk gaat het over het ontwerp, de bouw en het karakteriseren van geschikte detectoren (RPCs/MPGDs/…) in het Gentse detectorlab. We vertrekken van gekende ontwerpen uit andere experimenten waarbij de Gentse groep betrokken is en proberen deze zodanig aan te passen dat de detectoren bruikbaar worden voor de beoogde toepassing. Belangrijk hierbij is ervoor te zorgen dat de detectoren geschikt worden voor installatie en bedrijf in de buitenlucht, op vaak verlaten en geisoleerd terrein. Gebouwde prototypes van detectoren kunnen getest worden met behulp van kosmische straling of X-stralen in het Gentse detectorlab. Indien gewenst kan er ook gewerkt worden aan computersimulaties van de gebruikte detectoren, enerzijds om het ontwerp van de telescoop te optimaliseren, anderzijds om toekomstige analyse van de metingen voor te bereiden.

Ontwikkeling en karakterisering van een nieuwe generatie gasgevulde detectoren

Begeleider: Michael Tytgat (michael.tytgat at ugent.be)

Context:

De Large Hadron Collider (LHC) in het CERN te Genève is momenteel de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Deze 13 TeV proton-proton botser wordt algemeen aanzien als de machine waarmee nieuwe fysica-ontdekkingen in het voordien onontgonnen energiegebied in de Teraschaal mogelijk worden. Het tot nu toe belangrijkste, wereldbekende resultaat van de LHC is de ontdekking in 2012 van het zogenaamde Higgs boson, dat aan de oorsprong ligt van de massa van elementaire deeltjes. Naar de toekomst toe wordt nu al gewerkt aan mogelijke opvolgers of complementaire machines voor de LHC. Dit gaat zowel over versnellers die nieuwe metingen met hoge precisie kunnen uitvoeren van b.v. het Higgs boson, alsook over in vergelijking met de LHC nog grotere versnellers die met een nog hogere massacentrumenergie van orde 100 TeV zullen werken.

De Gentse onderzoeksgroep Elementaire Deeltjesfysica is nauw betrokken bij het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment aan de LHC en werkt in het bijzonder aan het detectiesysteem voor muonen. Muondetectie is heel belangrijk aangezien er tijdens de botsingen in de LHC veel muonen geproduceerd worden als vervaldeeltjes van zwaardere deeltjes, zoals het Higgs-boson. De Gentse groep werkt specifiek aan zogenaamde Resistive Plate Chambers (RPCs) en Gas Electron Multipliers (GEMs) detectoren in CMS; dit zijn beide dunne, vlakke plaat gasdetectoren die voor allerlei toepassingen ingezet kunnen worden en die in CMS als trigger en tracking detectoren in het muonsysteem gebruikt worden. Naast CMS is de Gentse groep ook betrokken bij de voorbereiding van nieuwe gasgevulde detectoren voor eerdervermelde toekomstige versnellers.

Onderwerp:

Voor deze thesis wordt iemand gezocht die mee wil werken aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie van gasgevulde detectoren voor toekomstige experimenten. Specifiek wordt gewerkt aan meerdere types van detectoren. Enerzijds gaat dit over Glass-RPCs, dwz. op glas gebaseerde RPCs, waarbij we momenteel werken aan b.v. de studie van verschillende electrodematerialen, het ontwerp van grote oppervlakte detectoren, het testen van nieuwe detectorgasmengsels … Daarnaast wordt ook gewerkt aan GEM-achtige detectoren, waarbij we b.v. proberen om de tijdskarakteristieken van dergelijke detectoren te verbeteren.

In de praktijk gaat het over het ontwerp, de bouw en het karakteriseren van (kleine en grote) prototypes van detectoren. Eens de prototypes gebouwd zijn kunnen deze getest worden met behulp van kosmische straling of X-stralen in het Gentse gasdetectorlab. Er kan in dit verband ook gewerkt worden aan computersimulaties van dit soort detectoren teneinde het ontwerp en de werking ervan beter te begrijpen.
In het kader van dit project maakt de Gentse onderzoeksgroep deel uit van diverse internationale samenwerkingsverbanden; een korter of langer verblijf in een van onze partnerinstituten behoort dan ook tot de mogelijkheden bij deze thesis. Voorts neemt de groep regelmatig deel aan testmetingen van dergelijke detectoren met behulp van testbundels aan versnellers; de student kan eventueel ook meewerken aan deze metingen en aan de analyse van dergelijke meetgegevens.

4. Gravitational Waves

Context:

With the discovery of gravitational waves in 2015 a new window on the universe was opened. However, today this window is only opened to a crack: only a handful of mergers of heavy objects (black holes or neutron stars) has been observed to date. To really become an instrument to study the universe at the largest scales, gravitational wave detectors have to be taken beyond the present state of the art. In Europe a growing collaboration is now working on the design of the so-called Einstein Telescope, an observatory of the 3d generation, that will allow the observation of dozens of mergers every day. To achieve this, the ET will be a much larger instrument than the present LIGO and VIRGO observatories. It is expected to have 6 interferometers working together, located 100-200m underground, and using large Silicon mirrors cooled to cryogenic temperatures. None of this has been done before, and massive R&D is necessary to make it possible. The UGent particle physics group is member of the Flemish Einstein Telescope consortium that, together with colleagues from several Dutch institutes, is building the ET Pathfinder: a testbench to demonstrate the new technologies under construction in Maastricht.

Subject:

The student is expected to work on the design of the cryogenic system for the Si-mirrors. This is done in collaboration with a group from Twente, and under the guidance of the new professor in Gent to be hired to work on Gravitational Waves. The question is: how do you cool 200 kg of pure silicon that is suspended in vacuum by a few very thin (micron or less) wires of silicon. And all this to be done without introducing even the smallest vibration in the mirror. Oh, and while you are thinking of that problem, how do you damp the vibrations introduced by traffic, seismic noise, vacuum pumps, etc. Even the effect of the wind on trees is felt by the ultra sensitive instruments 100m below the surface!