Studentské projekty

Studentské fakultní granty (SFG) jaro 2021

Uzávěrka pro podání grantu: 15. května 2021

NOVÉ instrukce pro podání grantu zde →

Algoritmy neuronových sítí a identifikace nepravých jetů ve srážkách těžkých iontů

 Picture2

Ultrarelativistické srážky těžkých iontů jsou prostředkem pro zkoumání vlastností silné interakce. Zkoumání těchto srážek by mělo například pomoci najít odpověď na fundamentální otázky po mechanismu formování hadronů – částic, z nichž je složena většina viditelné hmoty. Jet je kolimovaná sprška hadronů a jedná se o základní objekt umožňující tento výzkum. Jeden z technických problémů, který je řešen při experimentálním výzkumu jetů je identifikace nepravých jetů, které vznikají jako fluktuace pozadí. Hlavním úkolem studenta/studentky je naučit se základy vývojového prostředí ROOT, prozkoumat prostředí pro testování algoritmů neuronových sítí v rámci ROOT a pokusit se implementovat základní testovací model. Základní testovací model pak bude založen na snaze identifikovat dva druhy gaussovských signálů v prostředí se šumem.

(Doc. Mgr. Martin Spousta, Ph.D., spousta@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Statistické testování hypotéz ve frameworku pyhf

pyhf

V experimentální částicové fyzice hraje klíčovou roli důkladná statistická analýza dat. K tomuto účelu fyzikové často vyvíjejí vlastní software, ale v posledních letech vzrůstá tlak i na používání programů vyvíjených pro jiné či dokonce pro obecné použití. Cílem projektu pyhf je spojit to nejlepší, co vzniklo oběma přístupy, a nabídnout to uživatelům v moderním jazyce Python. Pyhf už umožňuje dělat template likelihood fity a testovat hypotézy. Student se při práci na tomto Studentském fakultním grantu seznámí se statistickým testováním hypotéz a vyzkouší si provést jednoduchý test pomocí nástroje pyhf.

Reference:

[1] Stránka projektu pyhf: https://iris-hep.org/projects/pyhf.html

(Mgr. Vojtěch Pleskot, Ph.D., pleskot@ipnp.troja.mff.cuni.cz)


Hledání excitovaných tau-leptonů v experimentu ATLAS na urychlovači LHC

calm_vs_excited

Kolaborace ATLAS postavila a provozuje obří detektor částic, který zkoumá produkty srážek protonů urychlených urychlovačem LHC v mezinárodní laboratoři CERN. Nejvýznamnější důvody pro vybudování LHC a ATLASu byly hledání Higgsova bosonu a hledání jakýchkoliv dalších nových (třeba i neočekávaných) elementárních částic. Objev Higgsova bosonu byl ohlášen v roce 2012, ale na objev další nové částice se zatím marně čeká. Tímto hledáním se v současné době na ATLASu zabývají přinejmenším stovky lidí.
Student se zapojí do hledání nových hypotetických částic – excitovaných tau-leptonů – v datech nabraných experimentem ATLAS v letech 2015-2018. Jedná se o analýzu, kterou začínáme rozvíjet na ÚČJF MFF UK. V rámci této práce se student seznámí s nástroji a metodami běžně používanými v částicové fyzice. Konkrétně s programovacími jazyky C++ a Python, s frameworkem na analýzu dat ROOT a se statistickými metodami používanými na LHC. Budou-li mít obě strany zájem, bude moci použít získané zkušenosti pro bakalářskou, diplomovou či dokonce disertační práci.

(Mgr. Vojtěch Pleskot, Ph.D., pleskot@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Simulace a analýza vnitřního detektoru pro e+ e- experiment Belle II v Japonsku

Picture6

Teoretický a programovací charakter práce v prostředí basf2 a ROOT v experimentu BELLE II, Japonsko. SFG je zaměřený na zjišťování vlivu mis-alignmentu a kalibrace na vlastnosti detektoru, následně na vlastnosti kvality měření fyzikálních rozpadů. Splnění tohoto cíle předpokládá nastudování vlastností detektoru BELLE II, jeho vývojového prostředí basf2 a editace, spouštění, vyhodnocení a interpretaci výsledků simulací. SFG je napojený na řešený grant Mezinárodní experiment BELLE II. Práci je možné řešit vzdáleně s konzultacemi.

(doc. RNDr. Peter Kodyš, CSc., kodys@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

Testování polovodičových detektorů pro projekt ATLAS Upgrade

 Picture9

Experimentální a programovací charakter práce v prostředí ROOT v laboratořích MFF UK v Troji. SFG je zaměřený na zlepšení současných měřících postupů křemíkových detektorů, na zvýšení spolehlivosti automatických měřících technik a na přípravu laboratoře na měření radiačně poškozených detektorů při nízkých teplotách, tzv. Slow Control procesů. Splnění tohoto cíle předpokládá nastudování ovládání zdrojů s ohledem na bezpečnost v laboratoři. SFG je napojený na řešený grant Mezinárodní experiment ATLAS – CERN. Práce se řeší v laboratoři, část se může řešit na dálku s konzultacemi.

(doc. RNDr. Peter Kodyš, CSc., kodys@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

Stínění a zemění jednoduchého předzesilovače s kontrolou osciloskopem

stineni

Příprava úlohy k přednášce: ”Metody sběru dat v částicové a jaderné fyzice“. Experimentální a elektrický charakter práce, příprava praktické úlohy pro připravovanou přednášku. SFG je zaměřený na podrobnou specifikaci  úlohy realizovatelné v čase 3 hodin, dále na přípravu podrobného návodu pro studenty. Úloha přibližuje problematiku práce se slabými signály ze sensorů experimentů částicové fyziky a problematiku parazitních nežádoucích vlivů různých druhů rušení. Práce se řeší v laboratoři, v případě dobrého domácího elektronického vybavení a zázemí se může řešit na dálku s konzultacemi.

(doc. RNDr. Peter Kodyš, CSc., kodys@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Měření vlastností detektoru pro experimenty NOvA a DUNE

Picture5

Student(ka) se seznámí s technikou sběru světla v detektorech NOvA/DUNE a fungováním hlavních komponent APD (Avalanche photodiode)/SiPM. Bude se podílet na měření vlastností detektoru, VA charakteristiky, temného proudu, stability v čase atd. Předpokládá se seznámení řešitele s technikami zpracování naměřených dat v prostředí ROOT.

(RNDr. Karel Soustružník, Ph.D., soustruz@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Elektroslabé bosony jako nástroje pro studium kvark-gluonového plazmatu

hi

Účelem těžko-iontové fyziky je zkoumat vlastnosti silné interakce a hmotu za extrémních podmínek vytvořených při srážce dvou relativistických těžkých iontů. Teorie silné interakce, kvantová chromodynamika, předpovídá vznik nového stavu hmoty tzv. kvark-gluonového plazmatu. V tomto prostředí dochází k ovlivnění částic s velkou energií nesoucí barevný náboj, které vede k potlačení kolimované spršek částic, tzv. jetů. V současných měřeních jsou elektroslabé bosony W a Z studovány jen v případě, kdy se rozpadají na páry elektronů nebo mionů, tedy částic bez barevného náboje. Tyto bosony se ale rozpadají i na dvojice barevně nabitých kvarků. Zájemce o tento projekt se seznámí s úvodem do této problematiky a pomocí simulací bude ověřovat a studovat možnosti měření těchto rozpadů v existujících datech z experimentu ATLAS.

(Mgr. Martin Rybář, Ph.D., rybar@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Studium rozpadů Higgsova bosonu na experimentu ATLAS v CERN

Picture11

Higgsův boson je poslední objevená elementární částice, která završuje takzvaný Standardní model částic a interakcí. Higgsův boson byl objeven v roce 2012 experimenty ATLAS a CMS na urychlovači LHC v laboratoři CERN. Protože se jedná o nestabilní částici, v experimentech ho pozorujeme pouze pomocí rozpadových produktů. Rozpad Higgsova bosonu na pár tau leptonů je jeden z nejdůležitějších kanálů pro měření vazby Higgsova bosonu na fermiony (tzn. částice se spinem 1/2, mezi které tau lepton patří). V rámci projektu se student(ka) seznámí se základními koncepty experimentální částicové fyziky a softwarem ROOT používaným pro analýzu dat. Na závěr provede jednoduchou analýzu studovaného rozpadu.

(Mgr. Daniel Scheirich, Ph.D., scheirich@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Analýza rozpadů B-hadronů na experimentu ATLAS

Picture7

Student(ka) se seznámí s experimentem ATLAS na urychlovači LHC v CERN, a se základními principy rekonstrukce rozpadů hadronů obsahujících b-kvark (b-hadronů). Analýzy produkce a rozpadů těchto částic umožňují testovat předpovědi Standardního Modelu částic a hledat odchylky způsobené případnou Novou fyzikou (novými částicemi). Tato měření jsou alternativou k přímému hledání nových částic, přičemž jejich výhodou je, že mohou “vidět” efekty způsobené i tak těžkými částicemi, pro jejichž přímou produkci není na urychlovači dost energie. Projekt může být dle výběru studenta/studentky zaměřen na různé aspekty B-fyzikálních analýz: potlačení pozadí, přesnost měření, systematické neurčitosti, statistické zpracování apod. Během řešení projektu bude student(ka) využívat C++ a naučí se pracovat s programem na zpracování dat ve fyzice vysokých energií (ROOT). Více informací na: https://ipnp.cz/~reznicek/index.php/project-thesis/

(RNDr. Pavel Řezníček, Ph.D., reznicek@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

Odhad požadavku na rozlišení dopředného časového detektoru pro LHC Run3 a High-Luminosity LHC

Picture8

Zvýšení luminosity (a tudíž možnosti pozorování procesů s velmi malými účinnými průřezy) s sebou přináší i značné zvýšení pozadí díky zvětšenému množství interakcí v rámci jedné srážky svazků, tzv. pile-up. Časový detektor [1,2] s velmi vysokým rozlišením umožňuje vybrat tzv. interakční vertex proces, který nás zajímá a tím pozadí snížit. Cílem práce je odhadnout na základě simulací a znalosti optiky urychlovače, struktury svazků a geometrické akceptance dopředného časového detektoru, jeho potřebné rozlišení, vedoucí k potlačení pile-up pozadí vybraných exklusivních difrakčních (double tagged) procesů minimálně faktorem Signal/Background = 3, 5, resp. 10. Jednalo by se o navázání na práci [3] ve směru práce [4].

[1] vynikající shrnutí: Va’vra J., High precision time measurements in future experimentshttps://indico.inp.nsk.su/event/20/session/3/contribution/0/material/slides/0.pdf

[2] současný stav ATLAS Forward Proton: T. Sykora, ATLAS Forward Proton Time-of-Flight Detector – LHC Run2 performance and experiences https://indico.inp.nsk.su/event/20/session/3/contribution/125/material/slides/0.pptx

[3] K. ČernýT. SýkoraM. Taševský and R. Žlebčík, Performance studies of Time-of-Flight detectors at LHC2021 JINST 16 P01030

[4] C. Baldenegro et al., Extending central exclusive W +W − production in hadronic and semi-leptonic channels, Extending central exclusive W+W- production in hadronic and semi-leptonic channels (cern.ch)

(Mgr. Tomáš Sýkora, Ph.D., sykora@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Model MCP-PMT s ALD

Picture4

Micro Channel Plate PhotoMulTiplier (MCP-PMT) [1] je velmi rychlý (a velmi drahý) fotonásobič s rozmanitým využitím. Kromě toho, že je jeho odezva velmi rychlá, je také dosti odolná (= v dostatečném rozsahu neměnící se) vůči magnetickému poli. V našem případě jej používáme v detektoru času letu (ToF) pro detektor ATLAS Forward Proton (AFP) a snažíme se simulovat jeho odezvu tak, aby byla co nejjednodušší, ale co nejlépe odpovídala realitě. Otevřeným (tj. zatím nikým nevyřešeným) problémem je snižování zisku (gain) těch MCP-PMT, které byly vylepšeny (tj. byla prodloužena jejich doba života) pomocí technogie ALD (Atomic Layer Deposition) ve srovnání s MCP-PMT bez ALD [2]. Existují hypotézy, jak k poklesu dochází, ale odpovídající modely nikoliv. Pokus o sestrojení modelu je cílem práce, v jejímž průběhu se student(ka) seznámí s konstrukcí MCP-PMT, získá přístup k datům i možnost si nová data naměřit (či požádat o nová měření). Student(ka) aktivně využije znalosti fyziky (Maxwelovy rovnice, tunelový efekt), matematiky (řešení rovnic modelu) i informatiky (simulace), které získal(a) během dosavadního studia. Pochopení problému může značně urychlit vývoj nového typu MCP-PMT pro vysoké opakovací frekvence signálu (> 20 MHz) [např. na LHC] a ušetřit řadu laboratorních pokusů.

[1] například PHOTOMULTIPLIER TUBES Basics and Applications, Hamamatsu, http://www.bgu.ac.il/~glevi/website/Guides/pmt_handbook_complete.pdf, kap. 4

[2] Melikyan, Y., Sykora T., at al., Load capacity and recovery behaviour of ALD-coated MCP-PMTs, NIM A, Volume 949, 1 January 2020, 162854

(Mgr. Tomáš Sýkora, Ph.D., sykora@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

Rozvoj nástroje pro zobrazování drah nabitých částic v urychlovači

Picture12

V rámci bakalářské práce [1] vznikl před lety nástroj Easy Tracker, který umožňuje velmi rychle zobrazovat dráhy částic na libovolném urychlovači v x a y projekcích a rychle přidávat různé magnetické element v reálném čase. Cílem práce je obohatit program o další prvky, zejména možnost připojenı́ různých generátorů částic (s výstupem ve formátu HepMC), a výstup ve formě produkce charakteristickým histogramů v libovolném místě urychlovače (např. rozložení souřadnic, hybností a energií částic, jejich filtrování, výpočet akceptance).

[1] T. Komárek, Vizualizace drah částic v magnetickém poli urychlovače  link

(Mgr. Tomáš Sýkora, Ph.D., sykora@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Použití neuronové sítě &&|| Kalmanova filtru v rekonstrukčním algoritmu pro pixelový detektor

sykora4

Při zidealizovaném průchodu částice pixelovým detektorem [x,z], kdy zanedbáme produkci sekundárních částic a představíme si, že odezva (amplituda) každého pixelu je proporcionální délce trajektorie, po které částice pixelem prochází, je možno tuto trajektorii zrekonstruovat velmi přesně, přičemž v případě více nežli 2 zasažených pixelů, je pravděpodobně možno trajektorii zrekonstruovat plně. (Jedná se o hezký matematický problém.)Situace se změní, když budeme uvažovat realističtější model, pro který můžeme použít pro průchod částice materiálem např. Geant 4 a pro odezvu samotného detektoru např. AllPix2. [samozřejmě je možno použít vlastní modely]. Je známo, viz např. [1], že použití neuronové sítě &&|| Kalmanova filtru je pak velmi užitečné. Cílem práce je a) sestavit algoritmus, který tuto/tyto techniky využije a b) použít jej v praxi, např. na datech z dráhového subdetektoru detektoru AFP [2] nebo v připravovaném detektoru „X17“ [3].

[1] A. Salzburger, Track Reconstruction: 2018-01-04-Spatind-Conference (cern.ch), 2018-CHEP-Salzburger-wide (cern.ch)

[2] I. Lopez, The one-armed ATLAS Forward Proton detector, CERN-THESIS-2018-057.pdf

[3] Hugo Natal da Luz, ÚTEF – Hugo Natal da Luz: Measurement of anomalies in angular correlation of electron and positron internally produced in excited 8Be and 4He (cvut.cz)

(Mgr. Tomáš Sýkora, Ph.D., sykora@ipnp.troja.mff.cuni.cz)

 

Zkoumání produkce čtyř top kvarků na Velkém Hadronovém Urychlovači v CERN

FourTopsEvent

Top kvark je nejtěžší známá elementární částice. Kvůli své velké hmotě má top kvark speciální postavení při hledání nových fyzikálních jevů. Studentský projekt bude zaměřen na jeden vzácný fyzikální proces, a to produkci čtyř top kvarků v proton-protonových srážkách na Velkém Hadronovém Urychlovači LHC. Hlavní téma práce je identifikace top kvarků s velkou příčnou  hybností v simulovaných srážkách z experimentu ATLAS. V rámci projektu se student(ka) seznámí se zpracováním dat v multidimenzionální analýze pomocí frameworku ROOT. Úkolem bude určit optimální selekční kritéria pro výběr událostí obsahujících top kvarky s velkou příčnou hybností.

(Mgr. Peter Berta, Ph.D., peter.berta@cern.ch)

 

Narušení CP symetrie na experimentu Belle II v Japonsku

pasted image 0

Anti-hmota, kvarky, kvantový entanglement, relativnost současnosti, dilatace času, virtuální částice, deep neural networks… Toto nejsou pouhé buzzwords, ale každodenní náplň naší práce. Přidej se k nám a hledej dosud neobjevené rozdíly mezi hmotou a anti-hmotou. Rozdíly, které by objasnily přebytek hmoty nad anti-hmotou ve vesmíru a podstatu temné hmoty. To vše díky experimentu Belle II v Japonsku, speciálně k tomu navrženému. Jedná se o mladý experiment, který začal nabírat data teprve nedávno a na Výsledky s velkým V teprve čekáme. Pomoz nám jich dosáhnout. Zacíleno máme na rozpady B-mezonu a anti B-mezonu rozpadající se na podivné částice. Rozdílné chování hmoty a anti-hmoty v těchto rozpadech (tzv. narušení CP symetrie) může vést k objevu nové částice/interakce zodpovědné za temnou hmotu ve vesmíru.

Oboustranná spokojenost → jistota bakalářské, diplomové a disertační práce.

(Mgr. Radek Žlebčík, Ph.D., zlebcik@ipnp.mff.cuni.cz)

Automatizace zpracování dat z křemíkových detektorů pro projekt ATLAS Upgrade

syk01 syk02

Práce na projektu přispěje k realizaci testování nové generace ATLAS ITk stripových křemíkových modulů v pražské laboratoři v rámci mezinárodních dohod ve švýcarském CERN. SFG má teoretický a zejména programovací charakter. Výhodou jsou základy alespoň v jednom z programovacích jazyků C/C++, Python nebo PHP. Práce je zaměřena na automatizaci a optimalizaci datového toku ze specializovaného vyčítacího software ITSDAQ do pražské lokální MySQL databáze, včetně zobrazování dat z detektorů pomocí analytické webové aplikace Grafana. Splněním cílů projektu se rozumí teoretické nastudování vlastností ITk stripových modulů, vývoj a vylepšení příslušných skriptů pro interakci s lokální a případně i globální ITk databází a interpretace výsledků elektrických testů. SFG je možné řešit vzdáleně formou konzultací.

(Mgr. Martin Sýkora)