Studentské projekty

Studentské fakultní granty (SFG) jaro 2024

Uzávěrka pro podání grantu: 15. 05. 2024

Instrukce pro podání grantu zde →

Studie proveditelnosti pozorování inverzního bez neutrinového dvojitého beta rozpadu na urychlovači LHC

Otázka, zda jsou neutrina majoránovského či diracovského typu, existuje již dlouho a odpověď zatím není známa. Jednou z překážek (ve standardních jaderných experimentech) jsou omezené znalosti matic jaderných přechodů. Projekt navrhuje zvážit proces: proton + proton -> neutron + neutron + pozitron + pozitron, ve kterém jsou produkované neutrony detekovány ZDC kalorimetrem (Zero Degree Calorimeter), produkované positrony pak centrálním detektorem. Projekt má tři cíle:

  1. odhadnout počet detekovaných událostí s využitím již známých omezení na velikosti hmotnosti neutrin, vazbových konstant a také známých akceptancí detektorů
  2. zvážit procesy tvořící pozadí a v případě, že by byla možnost vidět signál
  3. analyzovat existující data. Předmětem letního projektu na MFF jsou cíle 1. a 2.

Tento projekt je zároveň řešen v rámci CERN Summer Student Programme 2024 a nabízí možnost spolupráce mezi studenty.

(Mgr. Tomáš Sýkora, Ph.D., tomas.sykora@matfyz.cuni.cz)

 

Měření toku kosmických mionů

Primární kosmické záření neustále bombarduje zemskou atmosféru. V jejích svrchních vrstvách interaguje za vzniku sekundárního kosmického záření. Z něho k zemi víceméně doletí těžko detekovatelná neutrina a lehce detekovatelné miony. Měření toku těchto tzv. kosmických mionů je jádrem projektu. V jeho rámci si student(ka) sestaví mionový teleskop a změří jeho charakteristiky. Teleskopem prověří typickou závislost toku kosmických mionů na směru. Dále bude studovat útlum toku mionů po průchodu materiálem (zemí, budovou) a případně se pokusí realizovat mionovou tomografii, tj. určení vrstvy materiálu z měření toku kosmických mionů. V rámci projektu se student(ka) seznámí např. se základy interakce částic s prostředím, detekcí částic pomocí scintilátoru a zpracováním dat. V závislosti na zájmu bude možné udělat i jednoduchou simulaci a srovnat ji s měřením.

(RNDr. Ing. Bedřich Roskovec, Ph.D., bedrich.roskovec@matfyz.cuni.cz)

 

Studium přechodu mezi řešeními dvou a tří jámových symetrických potenciálů v klasické a kvantové teorií

Dvou-jámový potenciál (Double-well potential – Wikipedia) patří k základním modelům jak v klasické, tak i kvantové teorii a demonstruje např. aplikovatelnost poruchové teorie (‘lokální rozvoj „nevidí“ druhé minimum‘) a umožňuje pochopení problému. Zde se projekt bude zabývat i topologickými solitony. Tří-jámový potenciál umožňuje nové vlastnosti/chování systému (viz. např. 2001.10128 (arxiv.org)), které modely s dvou-jámovým potenciálem nemají. Pro projekt je zajímavá možnost ne-topologického solitonového řešení (Non-topological soliton – Wikipedia).

Cílem projektu je studium přechodu z tří-jámového potenciálu do dvou-jámového, kdy „prostřední“ jáma začne mizet (může se jednat i o periodický děj). Např. půjde o pochopení změn v částicovém obsazení a jeho dynamickém popisu/modelu.

(Mgr. Tomáš Sýkora, Ph.D., tomas.sykora@matfyz.cuni.cz)

 

Měření elektronů na Future Circular Collider FCC-ee

Future Circular Collider (FCC) je plánovaný 100 km dlouhý urychlovač, který by mohl být zprovozněn
v CERN po skončení běhu HL-LHC. Naše skupina se podílí na vývoji elektromagnetického kalorime-
tru pro tento urychlovač. Jedna ze základních charakteristik kalorimetru je jeho energetické rozlišení. V rámci projektu bychom porovnali energetické rozlišení elektronů pro různá nastavení kalorimetru. Tato informace je jedna z ingrediencí nezbytných k optimalizaci kalorimetru.
(Mgr. Filomena Sopková, Ph.D., filomena.sopkova@matfyz.cuni.cz
Mgr. Jana Faltová, Ph.D., jana.faltova@matfyz.cuni.cz)

 

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@matfyz.cuni.cz)

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

Picture6Teoretický 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., peter.kodys@matfyz.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, marek.biros@matfyz.cuni.cz
RNDr. Pavel Řezníček, Ph.D., reznicek@matfyz.cuni.cz)

Měření mikroskopických odchylek teploty na křemíkovém detektoru

Zasazení do rámce: Experiment ATLAS na LHC v CERNu bude v příštích letech zdokonalen výměnou opotřebovaných částí a budou navýšeny jeho detekční vlastnosti. Pro tento účel na našem pracovišti připravujeme výrobu stripových detektorů s křemíkovým sensorem. Při testech pozorujeme v některých případech poškození sensoru a chybí nám nástroj na identifikaci místa poškození. Navrhované měření by toto mohlo umožňovat, navíc tato metoda by mohla být užitečná pro rozvoj naší laboratoře.

Popis úlohy: úlohou studenta/studentky je navrhnout a pokud možno i realizovat identifikaci teplejších míst na sensoru pod napětím, tzv. hot spotů, které můžou být pro činnost detektoru ohrožující, nebo až zničující. Jejich poloha může být na ploše cca 100 x 100 mm2, nebo na okrajích sensoru. K tomuto účelu je k dispozici infračervená kamera FLIX a zvětšovací čočka určená pro vzdálenou IR oblast spektra.

Důležité: může se ukázat, že úloha, nebo některé její části, nemá dobré řešení, je potřeba to ukázat a zdůvodnit.

Pod-úlohy nutné vyřešit úplně anebo částečně:

  1. Uchycení zvětšovací čočky na kameru
  2. Uchycení kamery na měřící box
  3. Přivedení vysokého napětí k detektoru.
  4. Zchlazení celého prostoru a detektoru na co nejnižší teplotu, pod -20 st C
  5. Vysušení měřícího prostoru, vyfouknutí dusíkem, měření vlhkosti pod 10 %
  6. Potlačení nežádoucích odlesků povrchu sensoru
  7. Skenovaní větší plochy sensoru a rekonstrukce polohy
  8. Vyhodnocení měření programem a automatizace identifikace tepelných odchylek

(doc. RNDr. Peter Kodyš, CSc., peter.kodys@matfyz.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.

(doc. RNDr. Peter Kodyš, CSc., peter.kodys@matfyz.cuni.cz)

Měření vlastností detektoru pro experimenty DUNE/ProtoDUNE

Picture5

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., karel.soustruznik@matfyz.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., pavel.reznicek@matfyz.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. 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., tomas.sykora@matfyz.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., tomas.sykora@matfyz.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., tomas.sykora@matfyz.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., tomas.sykora@matfyz.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@matfyz.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.

(Mgr. Martin Sýkora, martin.sykora@matfyz.cuni.cz)