Bachelor- and Mastertheses

Astroparticle Physics with the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Observatory is a very special scientific instrument. In the west of the Argentine Mendoza province, a detector field the size of the Saarland was set up at an altitude of 1500 metres. It originally consisted of more than 1600 water tanks, each weighing 12 tons, equipped with light sensors and installed at regular intervals in the almost deserted area. These were combined with 27 optical telescopes detecting ultraviolet fluorescence light emitted by particle cascades created by the interaction of high-energy atomic nuclei with air molecules in the upper atmosphere.
These atomic nuclei reach the Earth from the depths of the universe and are so rare that the statistical probability of their occurrence is just one particle per square kilometre per century. This explains the large size of the observation area. More than 90 research groups from 17 countries are thus trying to detect high-energy particles in the Argentine pampa that are far beyond the energy range accessible to the LHC accelerator in Geneva.

Currently, the Observatory is undergoing the AugerPrime upgrade. This in particular encompasses the installation of an additional scintillation particle detector as well as a radio antenna for the 30-80 MHz frequency band on top of each of the more than 1600 water tanks.

More information is available here.

We are looking for students interested in writing a bachelor's or master's thesis within the framework of this project. Out of the great variety of topics, please find here exemplary topics on aspects of data analysis, modelling physical processes and interpretation of accelerator data:

  • Atmosphärische Unsicherheiten der Energiebestimmung ultrahochenergetischer kosmischer Teilchen (Michael Unger):
    Bestimmung der Transmissivität der Atmosphäre über dem Pierre-Auger-Observatorium durch die Beobachtung von Laserschüssen mit Fluoreszenzteleskopen. (Bachelor)

  • Einsatz von Machine Learning zur Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlung (Markus Roth):
    Bisher wird die Energie einzelner  nachgewiesener Ereignisse mit klassischen Rekonstruktionsmethoden bestimmt. Statt rekonstruierte Größen von phänomenologischen Anpassungen zu verwenden ist Ziel dieser Arbeit Deep-Neural-Networks zu verwenden, um eine unverzerrte Schätzung mit geringer Varianz zu erhalten. Die Methode soll bei Oberflächen-Detektorfeldern unterschiedlicher Detektorabstände (433m, 750m und 1500m) und damit einhergehend unterschiedlichen Energiebereichen zum Einsatz kommen. (Master)

  • Einsatz von Machine Learning zur Suche von Photon-Ereignissen in den Daten des Auger-Experiments (Markus Roth):
    Basierend auf Selektionsalgorithmen, die mit Simulationsdaten definiert und optimiert werden, sollen spekulative primäre Photonen in den Auger-Daten identifiziert werden. (Master)

  • Nukleare Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung in der Galaxis (Michael Unger):
    Simulation und Auswertung von Daten zur nuklearen Spallation in C+p-Wechselwirkungen mit dem NA61/SHINE Detektor am SPS Beschleuniger des CERN. (Master und Bachelor)

  • Turbulente Magnetfelder in der Milchstrasse (Michael Unger):
    Bestimmung der turbulenten Komponente des Magnetfelds in der Galaxis aus der gemessenen Faraday-Rotation von Pulsaren und extragalaktischen Radioquellen. (Master)

  • Untersuchung hadronischer Wechselwirkungsmodelle durch direkte und indirekten Nachweis der elektromagnetischen und hadronischen Komponenten ausgedehnter Luftschauer unter Verwendung der Multi-Hybrid-Funktionen des AugerPrime-Upgrades (Markus Roth):
    Ziel der Arbeit ist es systematische Unsicherheiten aktueller Wechselwirkungsmodelle, die bei den nachgewiesenen Energien über viele Größenordnungen extrapoliert werden, zu quantifizieren, um die Rekonstruktion von Messgrößen wie Energie und Masse der kosmischen Strahlung zu verbessern. (Master)

  • Untersuchung atmosphärischer elektrischer Felder über dem Detektorfeld und ihrer Auswirkungen auf die Radioemissionen von Luftschauern (Tim Huege):
    Starke atmosphärische elektrische Felder wie in Gewittern beeinflussen die Radiosignale aus Luftschauern. Hierzu sollen die Daten neu installierter E-Feld-Messgeräte analysiert werden. (Bachelor)

  • Nanosekunden-Zeitsynchronisation verteilter Radiodetektoren mit Satellitensignalen (Tim Huege):
    Die interferometrische Radiomessung kosmischer Teilchenschauer hat großes Potenzial, benötigt aber eine Zeitsynchronisation der einzelnen Detektoren mit einer Genauigkeit von einer Nanosekunde oder besser. In diesem Projekt soll eine solch genaue Zeitsynchronisation verteilter Detektoren, welche nicht miteinander kommunizieren, auf Basis einer innovativen Auswertung von Satellitensignalen entwickelt und erprobt werden. (Master)

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If the health situation allows, many of these projects could be combined with a measurement shift at the site of the Pierre Auger Observatory in Argentina.

Please contact Markus Roth or the above-mentioned contact persons if you are interested.