Nederlands    English  
login
Portaalsite Universiteit GentExperimentele Deeltjesfysica

Thesisonderwerpen 2016-2017

Onderwerpen rond IceCube: neutrino-telescoop aan de Zuidpool

IceCube, het eerste neutrino-observatorium op kilometer-schaal, is volledig afgewerkt sedert begin 2011 en is nu operationeel in het Antartica-ijs vlakbij de geografische Zuidpool. Het bestaat uit 86 strings (kabels), elk met 60 fotodetectoren op dieptes gaande van 1400 tot 2400 m. In totaal observeren dus meer dan 5000 lichtgevoelige detectoren een volume zeer transparant ijs van meer dan 1 kubieke km, om de kleine (Cherenkov-)lichtflitsjes afkomstig van (interactieproducten van) neutrino's waar te nemen. Veruit de meeste neutrino's die IceCube observeert zijn afkomstig van het verval van geladen deeltjes (pionen, muonen) die gevormd worden wanneer een hoog-energetisch geladen deeltje uit de kosmische straling botst op de aardatmosfeer (zogenaamde atmosferische neutrino's). Slechts een heel kleine fractie komt daadwerkelijk rechtstreeks uit de kosmos, en biedt informatie over de astrofysische processen waarin ze gevormd werden. De grote uitdaging voor IceCube is om die kosmische neutrino's uit de achtergrond te vissen.

1. Supersymmetrische deeltjes in IceCube.

Begeleider: Ward Van Driessche (ward.vandriessche at ugent.be)

Situering:


SuperSymmetry (SUSY) wordt als een van de belangrijkste kandidaten gezien voor de uitbreiding van het Standaard Model van deeltjesfysica. In veel van dergelijke modellen wordt het bestaan van (relatief) langlevende geladen deeltjes voorspeld, meestal het stau. Dergelijke deeltjes kunnen in interacties van hoog-energetische kosmische straling en/of neutrino’s met de aarde in paren geproduceerd worden.

Onderwerp:

Zoeken naar de typische “handtekening” van stau-productie: twee parallelle sporen van hoog-energetische deeltjes doorheen de IceCube detector. In deze thesis wordt vooral gekeken naar manieren om de achtergrond van minder interessante processen te onderdrukken.



2. IceTop: Kosmische Straling.

Begeleider: Mathieu Labare (mathieu.labare at ugent.be)

Situering:


Hoe kosmische straling extreem hoge energieen (10^20 eV!) kan bereiken is 100 jaar na de ontdekking van kosmische stralen nog steeds niet geweten. Mogelijke versnellers zijn Supernova Restanten (galactisch) en Actieve Galactische Kernen (extra-galactisch) of Gamma-Ray Bursts (extra-galactisch). Om uit te maken wat precies de versnellingsmechanismen zijn is het van belang om te bepalen wat voor deeltjes die kosmische straling zijn: protonen of zwaardere kernen? IceCube (met zijn oppervlaktecomponent IceTop) kan dit proberen meten in een belangrijk energiegebied: tussen 100 TeV en 1 EeV, precies waar we de transitie van galactische naar extragalactische bronnen verwachten.

Onderwerp:

Door gegevens van IceTop te combineren met metingen in IceCube kunnen we proberen de massa van de invallende kosmische stralingsdeeltjes te bepalen. Hiervoor worden verschillende technieken gebruikt.




Onderwerpen rond LHC-CMS: pp-botsingen op de Teraschaal


Originally completed in the 1970's, the Standard Model of particle physics is an internally consistent and experimentally verified theory dealing with nature at its most fundamental level. Its last prediction remaining astray, was the scalar Higgs Boson, the existence of which marked the final milestone in the experimental confirmation of this elegant theory.
This monumental discovery was made at CERN's Large Hadron Collider(LHC), Constructed by a worldwide collaboration over the course of 20 years, currently the most powerful particle accelerator with energies at the TeV scale (or a million times higher than the energies of nuclear interactions!). CMS is one of two main purpose experiments intent at unearthing direct production of undiscovered particles at these prodigious energies.

While being extensively tested and having its predictions verified time and again by numerous experiments, multiple observations and the everyday experience of gravity hint at the fact that the Standard Model (SM) is not the ultimate theory of nature. The SM is unable to cope with the elusive dark matter, the existence of which has been presumed to explain a profusion of astronomical observations over the past few decades. Another mystery the SM in its current incarnation is unable to elucidate is why our universe seems to be almost exclusively made up of matter as opposed to antimatter. While the discovery of the Higgs boson was a triumph for the SM, with it another question arose. In the standard model this scalar boson would acquire loop corrections to its bare mass that are quadratically dependent on the cutoff energy scale. Assuming this cutoff to be at the Planck scale, where it is presumed quantum effects of gravity will become important, an inordinately large fine tuning would have to occur to explain the observed mass. A fact which might be conceived to be unnatural, and is referred to as the Hierarchy-problem.

There are several available thesis subjects focussed on analysing the many uncharted dwellings in the LHC's data, all complementary to the research being performed in the Gent CMS group. New data, never before explored, might hold keys to unlocking secrets about the fundamental nature of nature itself! Data collected in the ongoing Run II, at the never before reached energy of 13 TeV, will provide a matchless opportunity for joining this expedition into the high energy frontier. Additionally to having the privilege of analysing the LHC's data (possibly including new particles!), you will acquire knowledge on data analysis techniques, programming in C++ and using ROOT. Daily supervision from the Gent CMS team will be provided during these master theses.

3. Searches for Supersymmetry

Begeleider: Didar Dobur (didar.dobur at ugent.be)

Situering:

Among many theories going beyond the standard model, attempting to address some of these unanswered questions, is Supersymmetry (SUSY). It can be used to address the problem of dark matter, and cure the hierarchy problem that acts the standard model. SUSY is a spacetime symmetry relating fermions and bosons. In a supersymmetric theory there are an equal number of bosonic and fermionic degrees of freedom which naturally leads to cancellations between the divergent mass corrections to the Higgs boson's bare mass. Every fermion would therefore have a bosonic partner in SUSY models and vice versa for bosons. To achieve a cancellation of the chiral anomaly arising from the fermionic partner of the Higgs, at least one other scalar doublet is required, leading to the presence of 5 or more scalar Higgs bosons in SUSY models. In order to protect the proton from decaying, R-parity conservation is introduced, leading to the stability of the lightest supersymmetric particle or LSP. And thus the requirement of a stable proton can lead to an excellent dark matter candidate in SUSY. SUSY, if realised in nature, would have to be a broken symmetry. An unbroken Supersymmetry would involve partners of the known particles with the same mass, which have thus far remained unobserved.

The discovery of supersymmetric particles would mark a revolutionary leap in the field of particle physics and our understanding of nature. Several searches, approaching the problem from different angles, are proposed.

Onderwerpen:

(a) Search for supersymmetry using three-leptons and missing transverse energy
The LSP being stable and weakly interacting in most models means that, like neutrinos, it will almost always escape detection, leading to missing transverse momentum (energy) or MET. Additional to the presence of MET, the direct production of a neutralino and a chargino, the mass eigenstates of the partners of the neutral and charged electroweak and scalar bosons, can lead to signals with three leptons. Very few standard model processes can mimic this signal of three leptons produced at the primary interaction vertex (prompt leptons), the largest background being WZ production, making this an ideal topology to search for unknown particles. Any excess of events compared to what is expected in the SM might hint at the presence of something fundamentally new. The main focus will be on the optimizing the event selection for the best discovery reach, studying the SM backgrounds and obtaining the expected signal significance.

(b) Search for supersymmetry using same-charge di-leptons and missing transverse energy
Many standard model processes, such as top quark pair production and Z boson production, can lead to two opposite sign prompt leptons. Production of a same-sign dilepton pair however is something very rare in the SM. Because of the Majorana nature of the neutral SUSY fermions, like the gluino, they have no preference for emitting a lepton of either charge during their decay. The direct production of pairs of SUSY particles might thus accommodate final states with two prompt same-sign leptons and MET, perhaps easily distinguishable from the fleeting SM background. This signal thus presents great potential for the discovery of new particles. The thesis will focus on studying the optimization of the event selection, and the study of the SM backgrounds, using the 13 TeV data from the LHC.

(c) Search for stop, supersymmetric partner of the top quark
In the SM the Yukawa couplings of fermions to the Higgs field are directly proportional to their mass, making the top quark's contribution to the corrections on the bare Higgs mass by far the most important among the SM fermions. Even though it is expected to be the lightest squark in scads of models, the stop squark would inherit the top's Yukawa coupling and shall thus be the quintessential SUSY particle for stabilising the Higgs mass. If large fine-tuning of the Higgs mass is to be avoided, the stop squarks mass is expected to be within the LHC's reach, making the search for stop squarks of particular interest to CMS. The analysis of this thesis will focus on studying events with two leptons and MET, which is the experimental signal expected for stop squark decay.

4. Searches for Majorana neutrinos

Begeleider: Didar Dobur(didar.dobur at ugent.be)

Situering:

Only recently, the Nobel prize was awarded for the discovery of neutrino oscillations, a phenomenon strongly suggesting that neutrinos are in fact massive particles. Several experimental constraints however, such as those from tritium decay experiments and cosmological data, constrain this mass to be extremely small, below the eV scale. It might be conceived as unnatural that the Higgs mechanism would be responsible for their masses as the Yukawa couplings would have to be many orders of magnitude smaller than those of the other SM particles. By introducing heavy, so-called Majorana neutrinos, in the SM, the mass of the left-handed neutrino can be pushed down below the eV scale while retaining a Yukawa coupling constant similar to those of other SM particles. This is known as the see-saw mechanism.

While in the SM all free fermion fields are described by the Dirac equation, there is another option for neutral particles, devoid of all charge, namely the Majorana equation which Majorana neutrinos would satisfy. As of this moment neither the Majorana, nor the Dirac nature of neutrinos has been confirmed. Dedicated experiments (such as SNO+) are intensely pursuing so-called neutrino-less double beta-decay, a manifestation of the violation of lepton number caused by Majorana neutrinos. This is a hypothetical ultra-rare nuclear decay which might directly establish the Majorana nature of the SM electron neutrino. So far no observation has been made.

If they exist in nature, Majorana neutrinos might also be searched for in the LHC's proton-proton collisions. W bosons, which are copiously produced at the LHC, may decay to a heavy Majorana neutrino, due to its coupling to the neutrino, and a charged lepton. This leads to characteristic signatures, which can be efficiently distinguished from known Standard Model processes. In Run I no discovery was made, but the expected 6-fold increase of the integrated luminosity to be collected in Run II, and the monumental increase in collision energies predict a bright future for these searches.

Onderwerpen:

(a) Search for Majorana neutrinos in same sign prompt + displaced dilepton pairs
A W might decay to a charged lepton, and a Majorana neutrino, which in turn might decay into another lepton and a W. In case of an hadronic decay of the second W, this will lead to signals with a same sign or opposite sign dilepton pair. If the lifetime of the hypothetical heavy Majorana neutrino is long enough, this leads to the second lepton originating from a displaced vertex. While same sign dilepton events will already suffer from small SM backgrounds, these will be even more minute when looking for a second lepton originating from a displaced vertex. The thesis will focus on studying the optimisation of the event selection, and the study of the SM backgrounds, using the 13 TeV data from the LHC.

(b)Search for Majorana neutrinos in 3 prompt lepton final states
Considering the same events as described above with the difference that the W from the Majorana neutrino decay decays leptonically, would lead to signals with 3 leptons and MET. If the Majorana neutrino has a short enough lifetime all three leptons would be prompt, a signal few SM processes can impersonate. The main focus will be on the optimisation of the event selection for the best discovery reach, studying the SM backgrounds and obtaining the expected signal significance.

(c) Search for Majorana neutrinos in 3 lepton final states with a displaced vertex
As mentioned above a Majorana neutrino decay might lead to a 3 leptons and MET final state. If the Majorana neutrino is however long lived, two of the leptons might originate from a displaced vertex. A search for this decay would thus focus on events with one prompt lepton and two non-prompt leptons. This thesis subject presents the opportunity for being engaged in an utterly original analysis never before performed. Optimising the event selection, studying the SM backgrounds and performing a statistical analysis of the expected signal significance will be the main points of this thesis.


5. Searches for dark matter

Begeleider: Didar Dobur(didar.dobur at ugent.be)

Situering:

While searches for SUSY might be considered as dark matter searches, one can also look for direct production of other possible dark matter candidates, without involving a cascade decay of SUSY particles.

Onderwerp:

Search for direct dark matter production in top quark quark pair events
Many dark matter models predict production of dark matter particles in association SM particles, and in particular with top quark pairs. The final states of such events would again include high MET since the stable (or at least very long lived) dark matter particles would escape detection. This thesis would focus on the events where the top quarks decay semileptonically leading to a signal of two opposite sign prompt leptons cojoined by MET. The focus will be on optimising the event selection, and determining the SM backgrounds.


6. Top Physics

Begeleider: Didar Dobur(didar.dobur at ugent.be)

Situering:

The heaviest particle in the Standard Model is the top quark. As such, its properties are very sensitive to the existence of new physics beyond the SM. Since it couples so strongly to the Higgs boson, a precise determination of its mass as well as its production rate (cross section) is an important check on the SM's scalar sector. Top quarks are dominantly produced in top-antitop pairs, and produce 0, 1 or two leptons with two b-quarks in their decays and MET due to neutrinos. The properties of the top quark can be measured using any of these decay channels. We propose a subject on measuring the rates of top-quark pair production in association with W and Z bosons.

Onderwerp:

Precision measurement of top quark pair production in association with W and Z bosons
Several new physics models can lead to the production of multiple leptons and b-quark jets. In searches for such models, the main part of the work is generally to develop signal selection strategies that can eliminate similar events from SM processes. The production of top quark pairs in association with W or Z bosons is often the main SM background. So a good understanding of these processes by means of measuring their production rates is of paramount importance to these searches. Measurements will be performed in the three(four)-lepton channel which provide exquisitely pure signal samples. The optimal performance can be obtained by using Multi-Variate-Analysis (MVA) techniques. The student is expected to work on further optimising and improving these methods.

Onderwerpen rond detector ontwikkeling


7. Uitbreiding van de IceCube neutrino telescoop: PINGU en Gen2.

Begeleider: Sander Vanheule (Sander.Vanheule at ugent.be)

Situering:


De IceCube neutrino telescoop is sedert enkele jaren volledig afgewerkt. In totaal zitten er meer dan 5000 fotogevoelige detectoren (DOMs) in 1 kubieke km ijs aan de Zuidpool. IceCube is bijzonder geschikt om hoog-energetische neutrino's (boven 1 TeV) te detecteren. Toch is er ook veel interesse voor neutrino's met een lagere energie. Hiermee kan IceCube ook neutrino-oscillaties bestuderen, en op die manier misschien uitmaken wat de precieze massa-hierarchie is bij de neutrino's. Om de energiedrempel van IceCube te verlagen wordt momenteel gewerkt aan een nieuwe detector, PINGU, die met veel meer detectoren een kleiner subvolume van IceCube intensief zal bestuderen. Dit betekent o.a. dat er veel meer informatie (pulsvormen, enz) door de kabels naar de oppervlakte moet gestuurd worden dan tot nu toe het geval is. Hiervoor moeten nieuwe manieren gevonden worden om de data te comprimeren en foutvrij door de kabel te zenden. Deze technieken zullen ook van belang zijn in het ontwikkelen van een nog grotere versie van IceCube: Gen2, die tot 10 kubieke km groot zal worden.

Onderwerp:

In dit onderwerp wordt zowel met simulaties als met experimenten gewerkt. De functionering van verschillende circuits om de data te transporteren door de kabels wordt gesimuleerd, en met een kleine opstelling in het lab getest. Ervaring met elektronica is zeker geen must, enkel nieuwsgierigheid naar de manier waarop “iets” (fysica-gegevens, afleveringen van “Game of Thrones”, …) gedigitaliseerd en getransfereerd worden!


8. Ontwikkeling van gasgebaseerde detectoren voor CERN

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

Situering:

Eind 2009 kwam in het CERN te Geneve de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC), on line. Deze proton-proton botser wordt algemeen aanzien als de machine waarmee mogelijk nieuwe fysica-ontdekkingen in het tot nu toe onontgonnen energiegebied in de Teraschaal mogelijk worden. Het belangrijkste, wereldbekende resultaat van deze eerste run is de ontdekking van een nieuw deeltje met eigenschappen die sterk lijken op die van het zogenaamde Higgs boson, dat verantwoordelijk zou zijn voor het geven van massa aan elementaire deeltjes. Tot 2015 blijft de LHC nu stilliggen, zodat de nodige aanpassingen aan de versneller kunnen gebeuren opdat deze tijdens de tweede meetperiode met een massacentrumenergie van 13 TeV zou kunnen werken. Op hetzelfde moment krijgen ook de verschillende experimenten aan de LHC, waaronder het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, de kans om de nodige herstellingen en aanpassingen aan hun detectoren uit te voeren.

De Gentse onderzoeksgroep Elementaire Deeltjesfysica is nauw betrokken bij het CMS experiment, 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 o.a. zogenaamde Resistive Plate Chamber (RPC) detectoren in CMS; dit zijn dunne, snelle gasdetectoren die voor allerlei toepassingen ingezet kunnen worden en die in CMS als triggerdetectoren in het muonsysteem gebruikt worden. Recentelijk werd in Gent in samenwerking met buitenlandse groepen een project opgestart om een nieuw generatie van RPCs te ontwikkelen voor CMS, gebaseerd op nieuwe materialen (glas of Bakeliet) of nieuwe geometrieen (multi-gap RPCs). Aan de hand van prototypes moet nu aangetoond worden dat deze detectoren effectief voldoen aan de vereisten om in het CMS muonsysteem ingebouwd te kunnen worden.

Gas Electron Multiplier (GEM) detectoren zijn relatief recent ontwikkelde, dunne gasdetectoren, die gekenmerkt worden door een zeer hoge plaatsresolutie van orde 100micron, een goeie tijdsresolutie van orde 5ns, een hoge detectie-efficiëntie boven 98% en de capaciteit om hoge telkadansen tot 10MHz/cm2 aan te kunnen. Deze detectoren staan ook gekend voor hun stralingshardheid en zeer stabiele werking. Met deze eigenschappen worden GEMs voor allerlei toepassingen aangewend, in het bijzonder ook in hoge-energie deeltjesfysica experimenten.

Onderwerpen:

(a) Characterizatie en kwaliteitscontrole van GEM-detectoren
Bij deze masterproef wordt van de student verwacht dat zij/hij gaat meewerken aan de bouw van een testopstelling voor GEM-detectoren in het Gentse detectorlabo. De detectoren kunnen getest worden met behulp van hetzij kosmische straling hetzij een X-stralenbron. GEM detectoren vereisen een speciaal gasmengsel dat ter plaatse in een gasmixer aangemaakt wordt. Voor de uitlezing van de detectoren zal gebruik gemaakt worden van een speciaal, op CERN ontworpen data-acquisitiesysteem. De verwerking van de metingen gebeurt via zelf te schrijven software in een C++/Linux omgeving. Eens de opstelling volledig opgebouwd en operationeel is, kan een protocol opgesteld en geïmplementeerd worden voor de kwaliteitscontrole van GEM detectoren. Daarnaast kan de student eveneens meewerken aan eventuele R&D studies die in het Gentse labo nog zullen gebeuren op dit soort detectoren. In het kader van dit project maakt de Gentse onderzoeksgroep deel uit van een internationaal samenwerkingsverband; een korter of langer verblijf in een van onze partnerinstituten behoort dan ook tot de mogelijkheden bij deze thesis.

(b) Ontwikkeling en karakterisering van een nieuwe generatie Resistive Plate Chamber detectoren voor het CMS experiment aan de LHC.
Voor deze thesis wordt iemand gezocht die mee wil werken aan de ontwikkeling van nieuwe Resistive Plate Chamber detectoren voor het CMS experiment. In de praktijk gaat het over het ontwerp, de bouw en het karakteriseren van (kleine en grote) prototypes van dergelijke detectoren. In het project wordt gestart vanaf nul en moeten de verschillende stappen en tools voor de bouw van de detectoren nog uitgewerkt worden. Eens de prototypes gebouwd zijn kunnen deze getest worden met behulp van kosmische straling of X-stralen in het Gentse RPC-lab. In het kader van dit project maakt de Gentse onderzoeksgroep deel uit van een internationaal samenwerkingsverband; 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 gegevens.

(c) Muon radiografie
Met de relatief goedkope RPC detectoren kan men detectoren met een grote oppervlakte uitbouwen. Deze kunnen dan gebruikt worden om, met behulp van muonen uit de kosmische straling, grote objecten te gaan “doorlichten”. Voorbeelden: de piramides, grafheuvels, …. In deze thesis wordt een concreet project uitgewerkt om muon-radiografie van een belangrijke tumulus in Noord-Griekenland te onderzoeken.

Onderwerpen rond steriele neutrino's


9. Bouw van de SoLid antineutrino-detector

Begeleider: Dirk Ryckbosch (Dirk.Ryckbosch at ugent.be)

Situering:


Er zijn een aantal anomalieen in de neutrino-fysica die maar niet opgelost geraken. Zo meten experimenten systematisch enkele procenten te weinig antineutrino's afkomstig uit kernreactoren. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat de electron-antineutrino's snel oscilleren in een nog onbekend type neutrino dat nauwelijks met de standaard materie interageert, een zogenaamd steriel neutrino. Het bestaan van zo'n deeltje buiten het Standaard Model zou verschillende problemen in de neutrinofysica kunnen oplossen.
Het SoLid (Short baseline Oscillation experiment with a Li detector) experiment is opgezet door een samenwerking van de UGent, Antwerpen, SCK-Mol, Oxford, Nantes en Caen om een nauwkeurige meting uit te voeren van de antineutrino-flux uit de BR2-onderzoeksreactor in Mol met een totaal nieuwe detectietechnologie. In januari 2015 werd een eerste meting gedaan aan de BR2 reactor om het potentieel van het SoLid experiment aan te tonen.

Onderwerp:

In dit onderwerp wordt het ontwerp van de tweede fase van de SoLid detector verder uitgewerkt (1750 kg actief volume ipv 288 kg). Aanpassingen aan het ontwerp worden getoetst in Monte Carlo simulaties. Kleine prototypes worden gebouwd en getest. We werken ook aan de constructie van de grote detector, die klaar moet zijn tegen de herfst van 2016.


10. Analyse van de eerste SoLid gegevens

Begeleider: Celine Moortgat (Celine.Moortgat at ugent.be)

Situering:


Er zijn een aantal anomalieen in de neutrino-fysica die maar niet opgelost geraken. Zo meten experimenten systematisch enkele procenten te weinig antineutrino's afkomstig uit kernreactoren. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat de electron-antineutrino's snel oscilleren in een nog onbekend type neutrino dat nauwelijks met de standaard materie interageert, een zogenaamd steriel neutrino. Het bestaan van zo'n deeltje buiten het Standaard Model zou verschillende problemen in de neutrinofysica kunnen oplossen. Het SoLid (Short baseline Oscillation experiment with a Li detector) experiment is opgezet door een samenwerking van de UGent, Antwerpen, SCK-Mol, Oxford, Nantes en Caen om een nauwkeurige meting uit te voeren van de antineutrino-flux uit de BR2-onderzoeksreactor in Mol met een totaal nieuwe detectietechnologie. In januari 2015 werd een eerste meting gedaan met een full-scale prototype detector met een actief volume van 288 kg.

Onderwerp:

In dit onderwerp worden de gegevens van de eerste "run" van SoLid bekeken. Het is de bedoeling om een eerste idee te hebben van de neutrino flux uit de BR2 reactor. Dit dient dan vergeleken te worden met de voorspellingen gebaseerd op de kennis van de geometrie en het vermogen van de reactor.