Dunkle Materie Gruppe

Bachelorarbeiten

 

Mögliche Themen für Bachelorarbeiten (Stand April 2021):

  • 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. 10t 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 Aktivierungsreaktionen von Xenon für das DARWIN Experiment
    Das DARWIN Experiment ist in der Planung und soll mit 50 Tonnen Xe nach WIMP- und Axion-artiger Dunkler Materie  und seltenen Neutrino-Signalen suchen. Dabei müssen alle Untergrundreaktionen extrem gut abgeschirmt bzw. unterdrückt werden. Eine mögliche Quelle von Untergrund stellt die Aktivierung von Xenon durch Neutronen dar, die durch (alpha,n)-Prozesse der natürlichen Radioaktivität wie auch durch kosmische Myonen im Untergrundlabor entstehen. Da sich bei DARWIN durch kontinuierliche Reinigungs- und Destillationszyklen große Mengen von Xenon auch außerhalb des gut abgeschirmten Kryostaten befinden werden, können über die Neutronen-Aktivierung radioaktive Nuklide von außen in das aktive Xenon-Volumen transportiert werden.
    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). Sie simulieren Prozesse (Spallation durch kosmische Myonen und Neutron-Einfangreaktionen) und analysieren die zu erwartende Menge von Radionukliden als Untergrund für DM- und Neutrino-Signale.
    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.
     
  • Berechnung der elektrischen Feldkonfiguration für potenzielle TPC-Geometrien des DARWIN Experiments
    Das DARWIN Experiment ist in der Planung und soll mit 50 Tonnen Xe nach WIMP-artiger Dunkler Materie und seltenen Neutrino-Signalen suchen. Dabei müssen die bei einer Streuung eines WIMPs an Xe-Atomen entstehenden Elektronen über ein möglichst homogen angelegtes elektrisches Feld an die Oberfläche des Detektors geführt werden („time projection chamber“, TPC). Die elektrischen Felder werden dabei von großflächigen Elektroden und seitlichen Ringelektroden erzeugt. In dieser Arbeit benutzen Sie kommerzielle wie speziell entwickelte Programmpakete (COMSOL, KEMFIELD), mit denen die Feldkonfigurationen berechnet werden können. Sie implementieren einige potenzielle TPC-Geometrien (Zylindergeometrien mit verschiedenen Verhältnissen von Höhe zu Durchmesser) und bewerten diese nach Kriterien wie erzielbare Feldhomogenität und notwendigen elektrischen Potenzialen für die Elektroden.
    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.