Studentské fakultní granty (SFG) jaro 2023

Uzávěrka pro podání grantu: 15. května 2023

Instrukce pro podání grantu zde →

Studium vlastností křemíkových detektorů metodou TCT (Transient Current Technique)

Součástí práce na SFG projektu bude charakterizace a měření vlastností různých typů diod metodou TOP a Edge-TCT (Transient Current Technique). Student/ka se seznámí s prací v čisté laboratoři pro testování křemíkových detektorů. Práce bude probíhat na pracovišti Fyzikálního ústavu (FZÚ) na Ládví. Výhodou jsou alespoň základní znalosti jednoho s programovacích jazyků C/C++, či Python. Práce je zaměřena na provádění měření a testování v čisté laboratoři a následnou analýzu dat za pomocí frameworku částicové fyziky ROOT. Úkolem studenta/studentky bude i teoretické nastudování základních vlastností křemíkových detektorů a experimentálních technik TOP a Edge-TCT. Výsledkem by mělo být porovnání signálu pro různé typy diod, s různou dávkou ozáření a zjištění vlivu radiačního poškození.

(Mgr. Pavol Federič Ph.D., pavol.federic@mff.cuni.cz)

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

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 nastudovánívlastností 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.

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

Greenovy funkce v teoriích pole na maximálně symetrických prostoročasech

Standardní kurz (kvantové) teorie pole se výhradně odehrává na plochém Minkowskiho prostoročasu. A to z dobrého důvodu, kterým je trivializace fundamentalních objektů diferenciální geometrie, především paralelního transportu a s ním spojeným pojmem konexe. Nejjednodušší možné zobecnění je na třídu prostoročasů zvanou maximálně symetrické prostoročasy. Jak název napovídá, jde o prostoročasy, které mají stejný (a tedy maximální) počet isometrií jako plochý prostoročas a konstantní skalární křivost nabývající hodnoty +1,0,-1. V euklidovské signatuře jde o (v předešlém pořadí dle křivosti): sféru, plochou euklidovskou rovinu a (dvojdílný) hyperboloid. V lorentzovské signatuře se pak třída maximálně symetrických prostoročasů skládá z: de Sitterova, Minkowskiho a anti-de Sitterova prostoročasu.

Základní objekt nezbytný pro (poruchovou) formulaci a studium kvantové teorie pole je Greenova funkce (alias volný propagátor) pro linearizované Euler-Lagrangeovy rovnice pohybu. Její smysl spočívá například v iterativní konstrukci řešení exaktních rovnic pohybu. Když známe hodnotu pole v bodě prostoročasu A a chceme ji nalézt v bodě B, lze toho dosáhnout iterací kroků: volná propagace(A,C) — interakce(C) — volná propagace(C,B) a “sečtením” přes všechny možné dělící body C. Obecně je propagátor potřebný k poruchovému výpočtu libovolných korelačních funkcí (a v částicové fyzice z nich odvozených amplitud/pravděpodobností rozptylu měřených na urychlovačích).

Cíl tohoto projektu je seznámit se s výpočtem Greenovy funkce (volného propagátoru) pro vybrané teorie pole na maximálně symetrických prostoročasech. Jako základní model poslouží teorie skalárního pole popisující částice se spinem 0 (např. Higgsův boson, pion). Zobecnění pro spin 1/2 (elektron), 1 (foton), 3/2 (gravitino), 2 (graviton) je možné dle preferencí řešitele/rešitelky, avšak technická náročnost roste s rostoucím spinem. Tento projekt kombinuje (základy) metod diferenciální geometrie, teorie grup (symetrie prostoročasu) a teorie pole (klasická postačí, kvantová teorie pole není nutná, i když aplikace samozřejmě míří tím směrem ve spojení s kosmologií). Úspěšné absolvování tohoto projektu by mělo umožnit/usnadnit čtení odborné literatury v oboru kvantová teorie pole na křivých prostoročasech (jde o rešerši, dosažení originálních výsledků není možné a bylo by v tomto oboru složité i v rámci diplomky).

(Mgr. Petr Vaško, Ph.D., vasko@ipnp.mff.cuni.cz)

Využitie pokročilých metód machine learning-u pri hľadaní Novej fyziky na experimente ATLAS

Ak sa chceš oboznámiť s experimentom ATLAS na urýchľovači LHC v CERN a základnými princípmi rekonštrukcie protón-protónových zrážok alebo sa niečo dozvedieť o strojovom učení, selekcii dát, rozhodovacích stromoch a (grafových) neurónových sieťach, tak sa neváhaj ozvať na nižšie uvedený mail. Pri riešení projektu sa naučíš používať knižnice určené pre strojové učenie v jazyku Python a v prípade záujmu aj základy C++ a program ROOT, ktorý slúži ako štandard pri spracovaní dát v časticovej fyzike. Výsledky projektu pomôžu k úspešnému dokončeniu uhlovej analýzy rozpadu B_d -> K* mu mu na experimente ATLAS, kde sa snažíme testovať predpovede Štandardného Modelu častíc a hľadať odchýlky spôsobené prípadnou Novou fyzikou (novými časticami).

(Mgr. Marek Biroš, biros@ipnp.mff.cuni.cz
RNDr. Pavel Řezníček, Ph.D., reznicek@ipnp.mff.cuni.cz)

 

Hledání řešení výroby tenkých hladkých součástek na 3D tiskárně Prusa MK3S+ nebo MK4

Experimentální charakter práce, příprava modelů součástek tloušťky kolem 300 mikronů. SFG je zaměřený na optimalizaci parametrů tisku, případně konzultace s výrobcem, práce se řeší v laboratoři na pracovišti. Výhodou je, pokud řešitel vlastní tiskárnu Prusa MK3S+ nebo MK4.

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

Testování polovodičových detektorů pro projekt ATLAS Upgrade

 

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.

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

Měření vlastností detektoru pro experimenty DUNE/ProtoDUNE

Student(ka) se seznámí s technikou sběru světla v detektorech DUNE/ProtoDUNE a fungováním hlavních komponent SiPM (sillicon photomultiplier). 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.mff.cuni.cz)

 

Studium rozpadů Higgsova bosonu na experimentu ATLAS v CERN

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.mff.cuni.cz)

 

Analýza rozpadů B-hadronů na experimentu ATLAS

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.mff.cuni.cz)

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

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.

Cíl projektu: Navázání na práci [3] ve směru práce [4], tedy studium efektu použití ToF detektoru pro měření konkrétního procesu.

[1] vynikající shrnutí: Vávra 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. Černý, T. Sýkora, M. 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.mff.cuni.cz)

 

Simulační stavebnice optické části Čerenkovského detektoru libovolného tvaru

Při vývoji rychlé simulace odezvy optické části Čerenkovského časového subdetektoru detektoru ATLAS Forward Proton [1] (obr. vlevo), která je ve finále ~ 200x rychlejší nežli odpovídající simulace v GEANTu [2] (obr. vpravo), se ukazuje možnost sestrojení simulační stavebnice Čerenkovského detektoru libovolného tvaru.

     

Předmětem projektu je práce na takové stavebnici.

Ref.:

[1] Sykora T., The ATLAS Forward Proton Time-of-Flight detector: results, experiences and plans, https://indico.cern.ch/event/861104/contributions/4503087/attachments/2307410/3925632/Zurich_2021_ts_AFP_ToF_final.pdf

[2] O. Rousselle and T. Sykora, Fast simulation of a Time-of-Flight detector for Forward Protons at the LHC, Proceedings of Science, Volume 397 – The Ninth Annual Conference on Large Hadron Collider Physics (LHCP2021), doi: 10.22323/1.397.0159

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

Rozvoj nástroje pro zobrazování drah nabitých částic v urychlovači

        

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. Program byl v roce 2021 dále rozšířen v rámci úspěšného studentského projektu (p. V. Shinkarenko) o další prvky ve formě produkce charakteristickým histogramů v libovolném místě urychlovače (např. rozložení souřadnic, hybností a energií částic, jejich filtrování, výpočet akceptance), viz obr.

Cíl projektu: Rozšíření programu o možnost připojení různých generátorů částic (s výstupem ve formátu HepMC a LHE) a propojení programu s programem Root.

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

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

 

Model, simulace a vizualizace jednoduchého dráhového detektoru v prostředí GeoModelXML

Zvýšení luminosity (a tudíž možnosti pozorování procesů s velmi malými účinnými průřezy) přináší značné zvýšení požadavků jak na detektory samotné, tak i na jejich rychlou simulaci. Proto vznikl projekt, který si klade za cíl maximálně zefektivnit tvorbu detektorů pro účely simulací – GeoModelXML, založený na GeoModelu [1], zkráceně gmex. Na obrázku je nástroj použit na vizualizaci mionové komory detektoru ATLAS.

Cílem projektu je vytvoření jednoduchého modelu dráhového pixelového detektoru v prostředí gmex (např. dráhového sub-detektoru detektoru AFP [2] nebo připravovaném detektoru „X17“ [3]), využívající pro rekonstrukci drah vlastní algoritmus nebo např. algoritmus využívající neuronové sítě a/nebo Kalmanova filtru [4].

Ref.:

[1] GeoModel – A Detector Description Toolkit for HEP (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)

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

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

 

Zkoumání produkce čtyř top kvarků na Velkém Hadronovém Urychlovači v CERN

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

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

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.

(Mgr. Martin Sýkora, sykoram@ipnp.mff.cuni.cz)

Studium fake-tau pozadí na experimentu ATLAS

Kolaborace ATLAS postavila a provozuje obří detektor částic, který zkoumá produkty srážek protonů urychlených urychlovačem LHC v laboratoři CERN. Procesy, v nichž se rodí tau leptony, jsou extrémně důležité. Např. rozpad Higgsova bosonu na tau leptony je v současné době experimentálně jeho nejdůležitějším leptonovým rozpadem. Tau lepton se ovšem nejčastěji rozpadá na hadrony. Kvůli tomu bývá chybná identifikace jetů jakožto tau leptonů nejvýznamnějším zdrojem pozadí pro mnoho analýz. Student(ka) se zaměří na zkoumání vlastností těchto chybně identifikovaných jetů. Při své práci se student(ka) seznámí s nástroji a metodami běžně používanými v částicové fyzice, především s programovacím jazykem Python a s frameworkem na analýzu dat ROOT.

(Mgr. Vojtěch Pleskot, Ph.D, vojtech.pleskot@cern.ch)

Transformer v částicové fyzice

ChatGPT ohromil svět svou schopností vykonávat komplexní úlohy jako psaní dlouhých článků nebo programování.
Jedná se o hlubokou neuronovou síť založenou na moderní architektuře transformeru. Takovéto neuronové sítě by mohly být velmi užitečné pro experimentální částicovou fyziku…

…v interakcích protonů na urychlovači LHC často vznikají kvarky a gluony. Téměř okamžitě po svém zrodu se každý z nich přemění na spršku desítek až stovek částic, které se říká jet. Jety vzniklé z gluonů mají lehce odlišné vlastnosti než ty, které pocházejí z kvarků, ale je velmi obtížné tyto rozdíly pozorovat experimentálně. Třídění jetů na kvarkové a gluonové je tedy oblast, která může enormně profitovat z nejmodernějších architektur hlubokých neuronových sítí.

Při práci na projektu se student(ka) seznámí s hlubokými neuronovými sítěmi, s architekturou transformeru a s Pythonními nástroji Keras a TensorFlow. Předpokladem je schopnost programovat v jazyce Python.

(bc. Samuel Jankových a Mgr. Vojtěch Pleskot, Ph.D, vojtech.pleskot@cern.ch)