Bachelor- und Masterarbeiten

Astroteilchenphysik mit dem Pierre-Auger-Observatorium

Das Pierre-Auger-Observatorium ist ein wissenschaftliches Instrument, wie es weltweit nur ganz wenige gibt. Im Westen der argentinischen Mendoza-Provinz wurde in 1500 Meter Höhe ein Detektorfeld in der Größe des Saarlandes aufgebaut. Es bestand ursprünglich aus mehr als 1600 Wassertanks mit einem Gewicht von je 12 Tonnen, die mit Lichtsensoren ausgestattet und in regelmäßigen Abständen in dem fast menschenleeren Gebiet aufgestellt wurden. Diese wurden mit 27 optischen Teleskopen kombiniert, die ultraviolettes Fluoreszenzlicht detektieren, das von Teilchenkaskaden ausgesendet wird, die durch die Wechselwirkung von hochenergetischen Atomkernen mit Luftmolekülen in der oberen Atmosphäre entstehen.
Diese Atomkerne erreichen die Erde aus den Tiefen des Universums und sind so selten, dass die statistische Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens bei nur einem Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert liegt. Das erklärt die große Ausdehnung der Beobachtungsfläche. Mehr als 90 Forschungsgruppen aus 17 Ländern versuchen so im argentinischen Hochland hochenergetischen Teilchen auf die Spur zu kommen, die weit jenseits des Energiebereichs liegen, der für den LHC-Beschleuniger in Genf zugänglich ist.

Derzeit wird das Observatorium mit dem AugerPrime-Upgrade aufgerüstet. Dies umfasst insbesondere die Installation eines zusätzlichen Szintillationsteilchendetektors sowie einer Radioantenne mit dem Frequenzband 30-80 MHz auf jedem der mehr als 1600 Wassertanks.

Weitere Information finden Sie hier.

Wir suchen Studenten, die Interesse haben, im Rahmen dieses Projektes eine Bachelor- oder Masterarbeit zu schreiben. Aus der großen Vielfalt der Themen finden Sie hier beispielhaft Themen zu Aspekten der Datenanalyse, der Modellierung physikalischer Prozesse und der Interpretation von Beschleunigerdaten. Wenn sie weitergehende eigene Interessen und Fähigkeiten einbringen möchten, sprechen Sie uns gerne an und wir versuchen ein Thema entsprechend zu gestalten.

  • 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)    

Wenn es die Gesundheitslage erlaubt, können viele dieser Projekte mit einer Messschicht vor Ort am Pierre-Auger-Observatoriums in Argentinien kombiniert werden.

Bitte melden Sie sich bei Interesse bei Markus Roth oder bei den oben genannten Kontaktpersonen.