Pierre Auger Observatory

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:

  • Präzise Energiebestimmung mit Daten des Oberflächendetektors (M. Roth):
    Verbesserung der Modellierung der Lateralverteilung von Daten des Oberflächendetektors (Master; Datenanalyse).
  • Einsatz von Machine Learning zur Bestimmung des Energiespektrums kosmischer Strahlung (M. 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).

  • Messung hadronischer Wechselwirkungen jenseits des LHC (M. Unger):
    Analyse von Daten der Fluoreszenzteleskope mit dem Ziel der Bestimmung des Wechselwirkungsquerschnitts in Proton+Luft-Kollisionen unter Berücksichtigung der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung (Master; Datenanalyse).

  • Untersuchung exotischer Luftschauer (M. Unger):
    In den Daten der Fluoreszenzteleskope finden sich Ereignisse mit ungewöhnlichen Profilen in der Schauerentwicklung. Diese Ereignisse lassen sich mit sehr seltenen hadronischen Wechselwirkungen erklären. Ziel der Arbeit ist die Überprüfung dieser Hypothese mit Daten des Oberflächendetektors (Bachelor; Datenanalyse).

  • Propagation kosmischer Teilchen in der Milchstrasse (M. Unger):
    Planung, Durchführung und Auswertung eines Experiments zur Messung der nuklearen Spallation in C+p-Wechselwirkungen mit dem NA61/SHINE Detektor am CERN, Genf (Master).

  • Untersuchung atmosphärischer elektrischer Felder über dem Detektorfeld und ihrer Auswirkungen auf die Radioemissionen von Luftschauern (T. 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)

  • Unterdrückung von Rauschsignalen in den Messdaten des Auger Radio Detektors mit Methoden der Informationsfeldtheorie (T. Huege):
    Die mit den AugerPrime-Radioantennen gemessenen Signale sind von galaktischem und menschengemachtem Rauschen überlagert. Mit speziellen Methoden des maschinellen Lernens wollen wir die Rauschbeiträge entfernen und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis unserer Daten verbessern (Master)    

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.