Dunkle Materie Gruppe

Bachelorarbeiten

 

Mögliche Themen für Bachelorarbeiten (Stand September 2020):

  • Kryodestillation zur Entfernung von Radon, Krypton und Tritium aus Xenon
    Um beim DARWIN-Experiment mit einem Inventar von 50 t Xenon eine Reduktion des Radon-induzierten Untergrundes um einen Faktor zwei zu erreichen müssen ca. 10 t Xenon je Tag destilliert werden, was mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die sogenannten McCabe-Thiele-Diagramme, die im Allgemeinen die Grundlage für die Auslegung von Destillationsanlagen legen, für Xenon-Radon, Xenon-Krypton und Xenon-Tritium aufzustellen und in einen Simulationscode umzusetzen. Im Anschluss sollen Studien zum Temperatur- und Druckverhalten der Destillation durchgeführt werden um einen Vergleich der optimierten Betriebsparameter für die drei verschiedenen Untergrundquellen zu gewinnen.
    Um praktische Erfahrung im Bereich der Destillation zu gewinnen besteht bei gutem Vorankommen die Möglichkeit an der kryogenen Destillationsanlage bei Destillationsexperimenten von Wasserstoff-Deuterium Mischungen oder der ortho-para-Destillation mitzuwirken.
    Zudem kann der Simulationscode erweitert werden, um Zusammenhänge zwischen dem Xenon Inventar in der Kolonne, den Durchsätzen und der damit verbundenen Untergrundreduktion zu untersuchen. Dies ist ebenfalls von zentraler Bedeutung, da die Gesamtmenge an zur Verfügung stehendem Xenon für das DARWIN Experiment limitiert ist und daher sicher gestellt werden muss, dass möglichst viel Xenon für den Detektor zur Verfügung steht.
    Grundkenntnisse in der Programmiersprache C++ sind Voraussetzung, Spaß am Programmieren und die Lust darauf, unbekannte Fragestellungen aktiv (mit) zu beantworten, sind hilfreich. Außerdem wird die Bereitschaft zur intensiven Auseinandersetzung mit dem Thema erwartet und Freude, sich in ein modernes, spannendes und für Sie neues Wissenschaftsfeld einzuarbeiten.
     
  • Simulation von Einfangreaktionen myon-induzierter Neutronen an Xenon im DARWIN Experiment
    In dieser Arbeit benutzen Sie das GEANT4 Simulationspaket, das bereits in unserer Gruppe verwendet wird und entwickeln ihre speziellen Routinen und Analyse-Methoden (in C++ und python). Das DARWIN Experiment ist in der Planung und soll mit 50 Tonnen Xe nach WIMP-artiger Dunkler Materie  und nach dem neutrinolosen dopppelten Betazerfall von Xe-136 suchen. Dabei müssen alle Untergrundreaktionen extrem gut abgeschirmt bzw. unterdrückt werden. Eine signifikante Quelle von Untergrund stellen durch kosmische Myonen produzierte Neutronen dar, die an Xe-Kernen eingefangen werden und dann zu radioaktiven Zerfällen führen. In dieser Arbeit simulieren sie solche Prozesse und bestimmen die zu erwartende Rate von Einfangreaktionen sowie die räumliche Korrelation der Neutronen-Einfänge und der Myon-Spuren durch den Xe-Tank.
    Grundkenntnisse in der Programmiersprache C++ sind Voraussetzung, Grundkenntnisse in Python und ROOT sind hilfreich. Außerdem wird die Bereitschaft zur intensiven Auseinandersetzung mit dem Thema erwartet und Freude, sich in ein modernes, spannendes und für Sie neues Wissenschaftsfeld einzuarbeiten.
     
  • Untersuchung des Einflusses von Kryostatzuleitungen auf die Neutronen-Abschirmung des Wassertanks im DARWIN Experiment
    In dieser Arbeit benutzen Sie das GEANT4 Simulationspaket, das bereits in unserer Gruppe verwendet wird und entwickeln ihre speziellen Routinen und Analyse-Methoden (in C++ und python). Das DARWIN Experiment ist in der Planung und soll mit 50 Tonnen Xe nach WIMP-artiger Dunkler Materie  suchen. Dabei müssen alle Untergrundreaktionen extrem gut abgeschirmt bzw. unterdrückt werden. Eine signifikante Quelle von Untergrund stellen durch kosmische Myonen produzierte Neutronen dar. Diese Neutronen können an Xe-Kernen streuen und WIMP-artige Signaturen erzeugen. Zur Unterdrückung kosmisch induzierter Neutronen wird der DARWIN-Kryostat mit einem großen Wassertank umgeben, in dem die Neutronen moderiert und letztendlich eingefangen werden. Zum Betrieb des Kryostaten werden allerdings verschiedene Zuleitungen benötigt (kryogene Xe-Zuleitungen, Führungen von Kalibrationsquellen, Hochspannungsversorgung) , die wie Neutronenkanäle im Wassertank wirken können.

    In dieser Arbeit implementieren Sie verschiedene Zuführungs-Geometrien in das DARWIN-GEANT4-Paket und simulieren den Einfluss dieser Elemente auf die Neutronenabschirmung. Als Ergebnis soll eine Abschätzung der durch Infrastrukturelemente erwarteten Reduktion der Neutronenabschirmung und damit auf die Sensitivität für die WIMP-Suche erstellt werden.

    Grundkenntnisse in der Programmiersprache C++ sind Voraussetzung, Grundkenntnisse in Python und ROOT sind hilfreich. Außerdem wird die Bereitschaft zur intensiven Auseinandersetzung mit dem Thema erwartet und Freude, sich in ein modernes, spannendes und für Sie neues Wissenschaftsfeld einzuarbeiten.

 

Für weitere Informationen wenden Sie sich gerne auch direkt an Prof. Dr. Kathrin Valerius oder Dr. Klaus Eitel.