20. November 2009

Bachelor Arbeiten 2010

in experimenteller Elementarteilchenphysik

am Lehrstuhl Schaile

A AusbildungsprogrammWir bieten im Sommersemester 2010 am Lehrstuhl Schaile in Zusammenarbeit mit Nachwuchsgruppen-leiterin Dr. Sandra Horvat vom Max-Planck Institut fur Physik in Munchen 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 Ex-periments am Large Hadron Collider des internationalen Forschungszentrums CERN in Genf. Wirmochten Ihnen hierbei Einblicke vermitteln in die physikalische Ziele des LHC und Analysemethodenfur hochenergetische Teilchenkollisionen, in Detektorkonzepte und Entwicklung neuer Detektorkom-ponenten und in Grid-Computing als innovative Technologie der LHC Datenverarbeitung.

Elemente unseres Programms sind

• Wahlpflichtlehrveranstaltung des Moduls V fur Bachelor Studenten (3+1 SWS, 6 ECTS Punkte):‘Advanced Course in Particle Physics for Bachelor Students’

Teil I: Datenanalyse in der TeilchenphysikDieser Kurs ist eine grundlegende Einfuhrung zur Darstellung und statistischen Auswertungexperimenteller Daten, zur Modellierung elementarer Teilchenreaktionen, zur Simulation vonDetektoren und des Teilchennachweises und zur Rekonstruktion der Primarreaktion aus einemkomplexen Ereignismuster.Die Teilnahme am Teil I dieses Kurses (19.4.-23.4.10 ganztagig) ist verpflichtend fur alle Ba-chelor Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik

Teil II: Vertiefungsvorlesung TeilchenphysikTeil II vertieft die Konzepte der Elementarteilchenphysik und des experimentellen Nachweisesspezieller Ereignistopologien. Vorlesung und Ubungen mit 3 SWS wochentlich finden beglei-tend zur 10-wochigen Bachelor Arbeit statt. Die Teilnahme am Teil II dieses Kurses wird allenBachelor Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik empfohlen.

Die Teilnahme an einer Klausur zu Teil I und Teil II des Kurses ist Voraussetzung fur den Erwerbvon 6 ECTS Punkten im Bereich der Wahlpflichtveranstaltungen des Moduls V.

• Physikalisches Seminar: Moderne Aspekte der TeilchenphysikDieses Seminar findet wochentlich begleitend zur Bachelor Arbeit statt. Die Teilnahme am Semi-nar wird allen Bachelor Studenten in der Experimentellen Elementarteilchenphysik empfohlen,Voraussetzung fur den Erwerb von 3 ECTS Punkten ist die aktive Teilnahme und ein Referat.

• Eine betreute Bachelor Arbeit (12 ECTS Punkte, 26.4.-4.7.2010) mit aktuellem Bezug zuunseren Forschungsarbeiten zu einem der nachfolgend aufgefuhrten Themen.

Weiterhin haben Sie bei uns in Garching die Moglichkeit an einem breiten Spektrum wissenschaftlicherVeranstaltungen in unserem Forschungsumfeld im Rahmen des ‘BMBF Forschungsschwerpunkts FSP-101 ATLAS’, des Exzellenzclusters ‘Origin and Structure of the Universe’, der HGF-Allianz ‘Physicsat the Terascale’, des Maier-Leibnitz-Laboratoriums und der ‘Munich Particle Physics School’ teilzu-nehmen.

Ansprechpersonen: Wenn Sie Fragen zum Programm haben, oder wenn Sie sich bei der Auswahl der3 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)

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Wenn Sie Interesse an oder Fragen zu einem spezifischen Thema haben, wenden Sie sich bitte direkt andie angegebene Kontaktpersonen (email: Vorname.Nachnahme@physik.uni-muenchen.de).

B Themenkatalog fur Bachelor Arbeiten

1 Suche nach dem Higgs-Boson

Abbildung 1: Ereignis mit einem Higgs-Boson, das in ein virtuelles und ein reelles Z-Boson zerfallt. Die beidenZ-Bosonen zerfallen wiederum nach µ+µ− und e+e−.

Jungere Colliderexperimente (LEP, HERA, TeVatron) haben das Standardmodell der Teilchenphysikmit phantastischer Prazision etabliert. Die Generierung der Massen von Fermionen und Bosonen durchden Higgs-Mechanismus ist allerdings ein Feld des Standardmodells, das nur sehr indirekt mit expe-rimentellen Hinweisen belegt ist. Der Higgs-Mechanismus sagt zwingend mindestens ein physikalischbeobachtbares skalares Teilchen, das Higgs-Boson, voraus. Hiervon fehlt bisher jede Spur, aber wennes ein Higgs-Boson mit den vom Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften gibt, dann wird LHCes finden.

1.1 Studien zur W+W−-Produktion bei LHC

Ein Kanal fur die Suche nach dem Higgs-Boson fur Massen MH > 130 GeV ist der Zerfall in W-BosonPaare. Zerfallen beide W-Bosonen leptonisch, d.h. in einen Endzustand mit 2 geladenen Leptonenund 2 Neutrinos, so hat man fur diesen Kanal eine klare und gut studierbare Signatur. VerschiedeneEffizienzen der Rekonstruktion und Identifikation der Lepton-Spuren sollen anhand von Simulationenund nach gegenwartiger Planung auch mit echten Daten des ATLAS-Experiments studiert werden.

Kontakt: Johannes Ebke, Dr. Johannes Elmsheuser

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1.2 Studien zur W + bb Produktion bei LHC

Ein Kanal fur die Suche nach einem leichten Higgs-Boson (MH < 130 GeV) am LHC Beschleuniger istdie Produktion eines Higgs-Bosons in Assoziation mit einem W-Boson, bei dem das Higgs in ein bbQuark-Antiquark-Paar zerfallt. Zu diesem Endzustand tragen allerdings auch viele Standardmodell-prozesse bei, bei denen die rekonstruierten b-Jets nicht aus dem Zerfall eines Higgs-Bosons stammen.Diese Prozesse sind nicht alle storungstheoretisch erfassbar und mussen durch Modelle beschriebenwerden. In dieser Arbeit sollen verschiedene Modelle untereinander und gegebenenfalls mit echtenLHC Daten verglichen werden.

Kontakt: Dr. Michiel Sanders, Jonas Will

1.3 Studien zur Z + jets-Produktion

Auf der Suche nach Higgs-Bosonen außerhalb des Standardmodells liefert der Higgs-Zerfall in zweiMyonen eine klare und vielversprechende Signatur. Der wichtigste Standardmodellprozess, der zu die-sem Endzustand beitragt und bereits in den ersten Kollisionsdaten sichtbar wird, ist der myonischeZerfall des Z-Bosons. Dieser Untergrund soll anhand der Kontrolldaten mit Z-Zerfallen in zwei Elek-tronen abgeschatzt werden. Hierbei soll insbesondere die Abhangigkeit von der Anzahl der Jets imEndzustand berucksichtigt werden. Eine weitere Studie befasst sich mit dem Vergleich verschiedenerJet-Rekonstruktionsalgorithmen fur die Selektion der Z + jet-Ereignisse. Arbeiten in diesem Bereichwerden in Zusammenarbeit mit der Higgs-Gruppe am Max-Planck-Institut fur Physik in Munchendurchgefuhrt.

Kontakt: Dr. Sandra Horvat, sandra@mppmu.mpg.de

2 Physik des Top-Quarks

Abbildung 2: Semileptonischer Zerfall eines tt-Paares

Das top-Quark hat viele Besonderheiten im Vergleich zu den anderen Quarks. So hadronisiert es auf-grund seiner hohen Masse nicht und ’vererbt’ seine Eigenschaften so direkt an seine Zerfallsprodukte.Da bis heute noch nicht alle seine vorhergesagten Eigenschaften restlos uberpruft werden konnten,stellt es auch weiterhin ein interessantes Studienobjekt dar. Der LHC mit seiner hohen Luminositat

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und Schwerpunktsenergie wird eine top-Fabrik sein und somit Messungen zum top-Quark erstmalsmit hoher Statistik ermoglichen.

2.1 Messung von Eigenschaften des top-Quarks mit ATLAS am LHC

Wie oben ausgefuhrt wird LHC zum Prazisionslabor fur die Eigenschaften des Top-Quarks. Im Rahmeneiner Bachelorarbeit konnen beispielsweise Studien zur Messung der top-Quark Masse, seiner Ladungoder auch Studien zur Winkelkorrelation der Zerfallsprodukte durchgefuhrt werden.

Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel, Dr. Raphael Mameghani

3 Suche nach Supersymmetrie

Abbildung 3: Inklusive Suche nach Supersymmetrie in Ereignissen mit 4 Jets und 1 Lepton fur einen Punktim SUSY-Parameterraum, bei dem bereits mit 200 pb−1 ein klares Signal zu sehen ist.

Supersymmetrie (SUSY) ist eine hoch-motivierte Erweiterung des Standardmodells, bei dem jedemFermion ein bosonischer Partner zugeordnet wird und umgekehrt. Da man die supersymmetrischenPartner der bekannten Teilchen noch nicht beobachtet hat, mussen die Partner unterschiedliche Massenhaben, d.h. die Supersymmetrie ist gebrochen. Es gibt allerdings gute Argumente, dass die Massen derSUSY Teilchen in der Reichweite fur LHC liegen sollten. SUSY bietet auch eine plausible Erklarung furdas Ratsel der Dunklen Materie im Kosmos. Wenn auf Grund eines Erhaltungssatzes supersymmetri-sche Teilchen nur paarweise erzeugt werden konnen, so ist das leichteste supersymmetrische Teilchenstabil. Die Theorie bietet neutrale supersymetrische Teilchen an, die exzellente Kandidaten fur dieastrophysikalisch beobachtete Dunkle Materie sind.

3.1 Untersuchung standardisierter Analysestrategien zur Suche nach Supersym-metrie

Im ATLAS Experiment wurden standardisierte Analysestrategien fur die Suche nach SUSY entwickelt.Ausgangspunkt der Bachelorarbeit ist diese Analysen systematisch auf bereits untersuchte Gebiete desSUSY Parameterraums anzuwenden und auf deren Robustheit hin zu untersuchen. Eine Zielsetzung der

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Arbeit ware ein Beitrag zur Optimierung der Analyse in Parameterbereichen, die eine Unterdruckungeiner der typischen SUSY Signaturen aufweisen. Eine komplementare Zielsetzung befasst sich mitdem Fall, dass eine der Standard-Analysen ein positives Signal hervorbringt und versucht durch dieKombination mehrerer Analysen bestimmte Gebiete des SUSY Parameterraums einzugrenzen.

Kontakt: Dr. Marie-Helene Genest

3.2 Suche nach Supersymmetrie in Endzustanden mit mindestens 2 gleichgelade-nen Leptonen

Suchen nach Supersymmetrie in Endzustanden mit mindestens 2 gleichgeladenen Leptonen sind viel-versprechend, denn der Untergrund ist erheblich geringer als in Kanalen mit hoherer Signalstatistik.Ein gefahrlicher Untergrund resultiert von hadronischen Jets, die falschlicherweise als Leptonen re-konstruiert werden. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung einer Methode zur Bestimmung der Misiden-tifikationsrate aus Daten, die vielleicht sogar bereits an ersten echten LHC Daten erprobt werdenkann.

Kontakt: Dr. Federica Legger

3.3 SUSY Untergrundabschatzung aus Daten fur Endzustande mit 3 Leptonen

In einigen Regionen des supersymmetrischen Parameterraums sind Endzustande mit 3 Leptonen einesehr interessante Signatur fur supersymmetrische Teilchen. Die elektroschwache Produktion zweierEichbosonen (WZ, ZZ) ist ein wichtiger Untergrund der auf 3 Leptonen ausgerichteten SUSY Suche.Zielder Bachelorarbeit ist es diesen Untergrund mit einer auf Daten basierenden Methode abzuschatzen.

Kontakt: Dr. Cedric Serfon

3.4 Untersuchung der Triggereffizienz von Jets fur Suchen nach supersymetri-schen Teilchen

Der Ereignistrigger ist ein wichtiger Bestandteil des ATLAS Detektors, da er in mehreren Stufen eineOnline-Selektion der fur die zur Aufzeichnung bestimmten Ereignisrate von mehreren GHz auf 200 Hzvornehmen muss. Jede Suche nach neuen Teilchen muss daher sorgsam die Effizienz der vorgeschlage-nen (und in Grenzen einstellbaren) Parameter des Triggers untersuchen, um nicht einen wesentlichenBruchteil des Signales zu verlieren. Ziel dieser Arbeit ist eine Untersuchung der Triggereffizienz furhochenergetische Jets, unter spezieller Berucksichtigung der Verhaltnisse fur eine potentielle Ent-deckung supersymmetrischer Teilchen mit den Daten des ersten Jahres bei LHC.

Kontakt: Dr. Marie-Helene Genest

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Abbildung 4: Inbetriebnahme des ATLAS Detektor: ein Myon aus kosmischer Strahlung.

4 Lepton-Rekonstruktion und -Identifikation in ersten ATLAS-Daten

4.1 Myon-Rekonstruktion und -Identifikation aus dem Zerfall von Resonanzen

Ereignisse mit zwei Myonen aus dem Zerfall von Resonanzen (J/ψ-,Υ-Meson, Z-Boson) eignen sichhervorragend fur Studien zur Rekonstruktion und Identifikation von Myonen bei ATLAS. Mit Hilfeder ersten Daten des ATLAS-Experimentes sollen die Effizienzen und die Impulsauflosung der rekon-struierten Myonen bestimmt werden.

Kontakt: PD Dr. Thomas Nunnemann, Dr. Michiel Sanders

4.2 Entwicklung und Validierung einer Methode zur Bestimmung der Identifika-tionseffizienzen fur Leptonen aus Ereignissen mit rekonstruierten Z-Boson

Die leptonischen Zerfalle des Z-Bosons bieten ein ideales Kalibrationssignal, um die Effizienzen dereinzelnen Schritte zwischen Strahlkollision und Lepton-Rekonstruktion zu bestimmen. Hierbei benutztman das eine Lepton aus dem Z-Zerfall als Marker (tag), das andere als Sonde (probe).

Kontakt: PD Dr. Thomas Nunnemann, Dr. Michiel Sanders

5 QCD-Studien

5.1 Studien zu Vielfach-Wechselwirkungen bei Proton-Proton-Stoßen am LHC

Durch die innere Struktur der Protonen, die bei LHC zur Kollision gebracht werden, treten eine Viel-zahl unterschiedlicher Wechselwirkungsreaktionen auf. Es findet nicht nur ein harter Stoß zwischenzwei Partonen der Protonen statt, sondern die ubrigen Protonbestandteile konnen ebenfalls kolli-dieren. Solche Prozesse uberlagen sich mit dem harten Stoß und mussen daher absepariert werden,

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Abbildung 5: Veranschaulichung einer Proton-Proton Kollision mit Uberlagerung eines Minimum-Bias Ereig-nisses

um die Untersuchung des harten Stoßprozesses nicht zu verfalschen. Dazu sind theoretische Modellein Simulationsprogrammen (hier konkret das Programmpaket von Herwig mit Jimmy) implemen-tiert worden, mit denen die Eigenschaften und die Einflusse dieser zusatzlichen Kollisionen fur dasATLAS-Experiment am LHC im Detail untersucht werden konnen. Ziel der Studie ist ein Vergleichder Vorhersagen von Herwig und Jimmy mit veroffentlichten Messdaten bei niedrigeren Energien unddie Extrapolation zu LHC Energien.

Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel, Markus Lichtnecker

5.2 Doppel-Partonwechselwirkungen in Proton-Proton-Stoßen

Beim Stoß zweier Protonen in LHC kann es zu gleichzeitiger Wechselwirkung zwischen je zwei ver-schiedenen Paaren von Partonen der Protonen kommen. Solche Doppel-Partonwechselwirkungen tretenunweigerlich auf und ihr Beitrag muss absepariert werden, um Fehlmessungen (z.B. von Wirkungsquer-schnitten) zu vermeiden. Eine gangige Technik setzt dabei auf Reaktionen mit drei und mehr Strahlenvon Hadronen (Jets), die zusammen mit einem hochenergetischen Photon entstehen. In dieser Ar-beit soll der Beitrag von Doppel-Partonwechselwirkungen mittels Simulationsprogrammen (Pythia)untersucht und dabei die zuvor genannte Messtechnik uberpruft werden.

Kontakt: Prof. Dr. Otmar Biebel

5.3 Analyse von Streuprozessen mit mehreren Jets im Endzustand

Streuprozesse in denen uber die starke Wechselwirkung eine Vielzahl von hadronischen Jets entste-hen, liefern Ereignissignaturen, die ahnlich auch bei der Produktion von supersymmetrischen Teilchenentstehen konnen. Mit Hilfe eines Ereignisgenerators werden diese Multi-Jet-Ereignisse studiert undihre Rate bestimmt.

Kontakt: PD Dr. Thomas Nunnemann

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6 Detektor-R&D zum Teilchennachweis

Abbildung 6: Der ATLAS Hohenstrahlmesstand in Garching.

6.1 Untersuchung der Signalhohe in ATLAS Driftdetektoren mit verschiedenenDriftgasen

Die von uns mitentwickelten ATLAS Driftdetektoren dienen am LHC Speicherring am CERN zurRegistrierung hochenergetischer Myonen und zum Vermessen der Impulse uber die Rekonstruktionder gekrummten Myonenpur. Diese Detektoren werden im Proportionalmode betrieben, unter Ver-wendung optimierter Detektorgase. Im Proportionalmode sind die nach einem Myondurchgang ge-messenen Signalhohen proportional zu der vom Myon erzeugten primaren Ionisationsladung. DenProportionalfaktor nennt man Gasverstarkung. In dieser Arbeit soll eine Methode entwickelt werden,um die Gasverstarkung zu vermessen. Diese Methode soll danach an verschiedenen Gasmischungenund bei verschiedenen Untergrundraten von Gamma und Neutronenstrahlung angewendet werden.Diese Arbeit eignet sich auch als Teamarbeit fur 2 Studenten.

Kontakt: Dr. Ralf Hertenberger

6.2 Simulation von Raumladungseffekten in ATLAS Driftrohren

Das Ansprechverhalten von ATLAS Driftdetektoren auf verschiedene Raten von Untergrund durchGamma-Strahlung soll mithilfe des Programmpaketes Garfield simuliert werden und die Ergebnissedann mit im Herbst 2008 am Cern gemessenen Daten verglichen werden. Hierfur soll ausgehend voneinem existierenden Modellansatz dieser zunachst getestet und gegebenenfalls erweitert werden.

Kontakt: Dr. Ralf Hertenberger

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Abbildung 7: Bestimmung der Anzahl leichter Neutrinoarten mit Standardmodell Kopplungen aus der Messungdes Wirkungsquerschnitts e+e− → Hadronen als Funktion der Schwerpunktsenergie

7 Erneuerung eines Praktikumversuchs

7.1 Erneuerung des Praktikumversuchs “Analyse von Z Zerfallen”

Im Forgeschrittenenpraktikumsversuch ‘Analyse von Z Zerfallen’ arbeitet der Student mit echten Er-eignissen, die vom OPAL-Detektor am e+e−-Collider LEP aufgezeichnet wurden. Der Versuch solljetzt auf das moderne Analysepaket ROOT umgestellt und getestet werden.

Kontakt: Dr. Michiel Sanders

8 Grid-Computing in der Teilchenphysik

Abbildung 8: Zentren des ATLAS Computing Grids

Der hohe Datenfluss, das große Datenvolumen und besondere Anforderungen an die Zugriffsmoglich-

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keiten bei LHC erfordern ein neues Konzept der Datenverarbeitung, das sogenannte Grid-Computing.Man versteht hierunter eine koharente Nutzung weltweit verteilter Ressourcen. Da die Physiker beiLHC auf diese Innovation angewiesen sind, kommt ihnen automatisch auch die Vorreiterrolle bei derUmsetzung zu.

Fur den Durchschnittsteilchenphysiker sind detaillierte Grid-Kenntnisse nicht erforderlich. Fur diesengibt es ‘Spielregeln’, wie man auf die Daten zugreifen kann, und wie man eine Sequenz von Jobsabsetzt, um diese Daten zu verarbeiten. Nachfolgende Themen empfehlen wir Studenten mit sehr gutenProgrammierkenntnisse (C++, hohere Skriptsprachen wie z.B. Python), die Erfahrungen sammelnmochten, wie man diese in ein wissenschaftliches Projekt einbringen kann.

8.1 Untersuchung von Storage Technologien fur die Datenauswertung beim AT-LAS Experiment

Die Analyse von LHC Daten stellt hohe Anforderungen an die I/O Kapazitaten der Speichersyste-me. Die parallelen Datenzugriffe aufgrund der heute gangigen multi-core CPUs bringen auch lei-stungsfahige Plattensysteme schnell an ihre Grenzen. Eine vielversprechende Alternative sind SSD(Solid State Disks), die aufgrund der wesentlich kurzeren Latenzzeit einen wesentlich besseren Durch-satz fur Anwendungen im Teilchenphysikbereich erwarten lassen. In der Arbeit sollen verschiedeneStorage Systeme anhand typischer Anwendungsbeispiele der LHC/ATLAS Datenanalyse systematischverglichen werden. Dazu ist ein gutes Verstandnis von Computerablaufen generell und die gute Kennt-nis einer hoheren Programmiersprache Voraussetzung.

Kontakt: Dr. Guenter Duckeck, Dr. Johannes Elmsheuser

8.2 Optimierung der Verteilten Analyse von ATLAS Daten mit Ganga

Die verteilte Analyse im weltweiten Computing-Grid ist ein essentielles Werkzeug, um die großenDatenmengen des LHC erfolgreich zu prozessieren. Die verschiedenen Zugriffsmethoden auf die Datensollen mit Hilfe des Programmpakets Ganga an Hand einer typischen Analyse mit Daten des ATLAS-Experiments studiert und optimiert werden.

Diese Arbeit setzt ein gutes Verstandnis von Computerablaufen und die gute Kenntnis einer hohererProgrammiersprache, bevorzugt Python, voraus.

Kontakt: Dr. Guenter Duckeck, Dr. Johannes Elmsheuser

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