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Hadronenstruktur und Fundamentale Symmetrien

Prof. Stephan Paul

Forschungsgebiet

Our group involved in a number of research projects dealing with high energy particle physics and neutron physics.

Adresse/Kontakt

James-Franck-Str. 1/I
85748 Garching b. München
+49 89 289 12572
Fax: +49 89 289 12570

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe

Professor

Sekretariat

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

Andere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Gäste

Lehrangebot der Arbeitsgruppe

Lehrveranstaltungen mit Beteiligung der Arbeitsgruppe

Titel und Modulzuordnung
ArtSWSDozent(en)Termine
Computerbased Data Analysis
Zuordnung zu Modulen:
VO 2 Grube, B. Mo, 14:00–16:00, PH 3268
Einführung in die Flavourphysik
Zuordnung zu Modulen:
VO 2 van Dyk, D.
Mitwirkende: Greenwald, D.
Fr, 14:00–16:00, PH 3344
Einführung in die Kern-, Teilchen- und Astrophysik (in englischer Sprache)
Zuordnung zu Modulen:
VO 4 Friedrich, J. Mi, 14:00–16:00, PH II 227
Mo, 16:00–18:00, PH II 227
English Writing for Physics
Zuordnung zu Modulen:
VO 2 Paul, S.
Mitwirkende: Greenwald, D.
Mi, 16:00–18:00, PH II 127
FPGA Based Detector Signal Processing
Zuordnung zu Modulen:
VO 2 Paul, S.
Mitwirkende: Konorov, I.
Do, 14:00–17:00, PH 3268
Kern-, Teilchen- und Astrophysik 2
Zuordnung zu Modulen:
VO 4 Garny, M. Paul, S. Di, 14:00–16:00, PH HS2
Mi, 08:30–10:00, PH HS2
Do, 14:00–16:00, PH HS2
Fr, 10:00–11:30, PH HS2
Fr, 12:00–14:00, PH HS2
Konzepte für zukünftige Hadroncolliderexperimente 2
Zuordnung zu Modulen:
VO 2 Kortner, O. Fr, 10:00–12:00, PH 1121
Ausgewählte Themen der Flavourphysik
Zuordnung zu Modulen:
HS 2 Paul, S. van Dyk, D.
Mitwirkende: Greenwald, D.
Mi, 12:00–14:00, PH 3268
Happy Hour der Kern- und Teilchenphysik
Zuordnung zu Modulen:
HS 2 Kaiser, N. Paul, S.
Mitwirkende: Greenwald, D.Grube, B.
Di, 16:00–18:00, PH 3268
Satellitenbasierte Teilchenphysik
Zuordnung zu Modulen:
HS 2 Paul, S.
Mitwirkende: Losekamm, M.Pöschl, T.
Mo, 16:00–18:00, PH 3268
To the Point
Zuordnung zu Modulen:
HS 2 Finley, J. Kienberger, R. Paul, S. Do, 16:00–18:00, PH II 227
Exercise to FPGA Based Detector Signal Processing
Zuordnung zu Modulen:
UE 2 Gaisbauer, D. Huber, S. Levit, D. Steffen, D.
Leitung/Koordination: Paul, S.
Übung zu Computergestützte Datenanalyse
Zuordnung zu Modulen:
UE 2 Grube, B. Termine in Gruppen
Übung zu Einführung in die Flavourphysik
Zuordnung zu Modulen:
UE 2 Greenwald, D. van Dyk, D. Termine in Gruppen
Übung zu Einführung in die Kern-, Teilchen- und Astrophysik (in englischer Sprache)
Zuordnung zu Modulen:
UE 2
Leitung/Koordination: Friedrich, J.
Übung zu Kern-, Teilchen- und Astrophysik 2
Zuordnung zu Modulen:
UE 2 Krinner, F.
Leitung/Koordination: Paul, S.
Termine in Gruppen
Colloquium of the Excellence Cluster Universe
Zuordnung zu Modulen:
KO 2 Paul, S.
Exkursion zum CERN in Genf/Schweiz 2019
Diese Lehrveranstaltung ist keinem Modul zugeordnet.
EX 1 Paul, S.
FOPRA-Versuch 19: Durchgang von Betastrahlen durch Materie
Zuordnung zu Modulen:
PR 1 Paul, S.
Mitwirkende: Saul, H.
FOPRA-Versuch 65: Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Zuordnung zu Modulen:
PR 1 Paul, S.
Mitwirkende: Gutsmiedl, E.
Mentorenprogramm im Bachelorstudiengang Physik (Professor[inn]en K–Z)
Zuordnung zu Modulen:
KO 0.2 Kaiser, N. Kienberger, R. Knap, M. Krischer, K. Märkisch, B. … (insgesamt 25)
Leitung/Koordination: Höffer von Loewenfeld, P.
Repetitorium zu Ausgewählte Themen der Flavourphysik
Zuordnung zu Modulen:
RE 2
Leitung/Koordination: van Dyk, D.
Repetitorium zu Happy Hour der Kern- und Teilchenphysik
Zuordnung zu Modulen:
RE 2
Leitung/Koordination: Paul, S.
Repetitorium zu Satellitenbasierte Teilchenphysik
Zuordnung zu Modulen:
RE 2
Leitung/Koordination: Paul, S.
Science Slam "Wissenschaft auf den Punkt gebracht"
Zuordnung zu Modulen:
KO 0.1 Finley, J. Kienberger, R. Paul, S.
Seminar on current topics in particle physics
Zuordnung zu Modulen:
SE 2 Märkisch, B. Paul, S. Do, 09:30–11:00, PH 3268
Seminar on Physics of strong interaction
Zuordnung zu Modulen:
SE 2 Brambilla, N. Fabbietti, L. Kaiser, N. Paul, S. Mo, 14:00–16:00, PH 3344

Ausgeschriebene Angebote für Abschlussarbeiten an der Arbeitsgruppe

Construction and Test of a Scintillating-Fiber Tracker for a Measurement of the Proton Radius at CERN’s Super Proton Synchrotron

The proton is one of the primary building blocks of all matter in the visible universe and as such is at the core of the quest for understanding nature. Yet, many of its properties are not well understood. At the center of current interest stands its charge radius, oftentimes simply referred to as the proton radius. Recent measurements of this fundamental quantity are in significant disagreement with each other, in what is often called the proton radius puzzle.

As part of an international collaboration, we intend to measure the proton radius through elastic muon-proton scattering with a high-energy muon beam at CERN’s Super Proton Synchrotron starting in 2021. The experiment requires the development of several new particle detectors, among them a fast tracking detector made of scintillating-plastic fibers. The construction and test of this tracker is the main objective of this thesis.


Tasks

  • Acquire the necessary understanding of the fundamentals of particle detection, scintillating materials, photodetectors, and detector read-out electronics.
  • Perform initial tests of detector components in the laboratory environment.
  • Design, construct, and commission three prototype detectors.
  • Conduct a system test at the MAMI accelerator facility in Mainz.
  • Analyze the performance of the tracker system.


What We Offer

We offer you to make your contribution to a new experiment trying to solve one of the most puzzling discrepancies in our understanding of the nature of matter. You will gain experience in detector design, electronics design, and data analysis. And you will get the chance to perform an experiment at a particle accelerator facility!



geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Stephan Paul
Double-sided silicon microstrip detectors for track reconstruction in COMPASS - implementation of clustering algorithms

The COMPASS collaboration operates at the CERN Super Proton Synchrotron a complex detector setup including silicon microstrip detectors for the observation of charged particles trajectories. Due to high beam intensity and reactions with several particles in the final state, many particles cross within the same time window, and the observed hit pattern must be analysed using elaborate clustering and background suppression algorithms. While after many years of running, the implemented algorithms have been refined and enhanced in several iterations, there is known room for improvement, and a need for working over the related software. Depending of the pre-knowledge for this bachelor thesis, this may be a well-defined part of it, or the overall structure (within the analysis C++ framework).

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Jan Michael Friedrich
Entwicklung eines autonomen Triggersystems mit Myonkammern mit zylindrischen Driftrohren.

Kammern mit zylindrischen Driftrohren sind bestens für die Instrumentierung großflächiger Myonsysteme von Hadroncolliderexperimenten geeignet. Sie gestatten es kostengünstig, die Flugbahnen der Myonen sehr genau zu vermessen. Bisher wurden diese Kammern stets zusammen mit schnellen Triggerkammern betrieben. Die Fortschritte im Bereich der Digitalelektronik, insbesondere die Verfügbarkeit leistungsfähiger FPGAs, eröffnen die Möglichkeit, Kammern mit zylindrischen Driftrohre selbstauslösend ohne schnelle Triggerkammern zu betreiben. In der Bachelorarbeit soll dies mit Hilfe simulierter und experimenteller Daten demonstriert werden.

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Oliver Kortner
Hyperpolarisation von Edelgasen

Aufbau einer Polarisationseinrichtung für Xe

Basierend auf vorhandenen Arbeiten zum Thema soll eine mobile Anlage zur Polarisation von Xe aufgebaut und getestet werden. Neben der Einarbeitung in das Thema der Polarisation von Xe für die NMR Spektroskopie und MRI Bildgeben werden Fähigkeiten zur Team-Arbeit in Forschergruppen und Projektmanagement Fähigkeiten für Naturwissenschaftler weiterentwickelt.

Zu Beginn wird das Projektlastenheft gemeinsam erarbeitet.

Kontakt: Rainer Stoepler 089/ 28914272 oder 0162 2944773

rstoepler@tum.de

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Stephan Paul
Identification of heavy-flavour jets using semi-supervised machine learning techniques
The identificaiton of heavy-flavour jets with the ATLAS Detector are based on modern machine learning 
techniques, which have become increasingly sophisticated over the last years and use more and more 
subtle features of the considered training data. At the same time, an increased complexity can induce 
an similarly increased dependents to the Monte Carlo simulation. 
Semi- or unsupervised machine learning techniques offer the potential to directly train on the data 
measured by the ATLAS detector and thus mitigate any model dependencies of the resulting 
heavy-flavour identification algorithms. 
In these studies, a semi-supervised machine learning algorithm will be trained and optimized. 
It's performance will be compared to that of the standard heavy-flavour identification algorithms 
used in the ATLAS collaboration.
geeignet als
  • Masterarbeit Physik der kondensierten Materie
Themensteller(in): Oliver Kortner
Investigation of systematics of using an electromagnetic calorimeter for measuring a high-energy cross-section revealing pion dynamics

The TUM group of the COMPASS collaboration at the CERN Super Proton Synchroton specialized in the analysis of high-energy scattering reactions for a better understanding of the strong interaction and the quark-gluon structure of hadrons. The lightest hadron, the pion, consists mainly of light up- and down-quarks and has surprising properties linked to the breaking patterns of chiral symmetry. For the investigation of one of them, the chiral anomaly, a special scattering type has been examined with a charged and a neutral pion in the final state. The neutral pion decays almost promptly into two photons, which are observed in an electromagnetic calorimeter. The analysis of the data depends on a good understanding of this detection, and on the separation of background. In this thesis, the dependence of different background suppression scenarios is to be studied, supporting the analysis for understanding an important aspect of the subatomic structure of matter.

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Jan Michael Friedrich
Lebensdauermessung des freien Neutrons

Aufbau einer Infrastruktur für ein Lebensdauerexperiment mit Ultrakalten Neutronen

Der Experimentaufbau wird zu Testzwecken ohne Neutronen betrieben.  Es handelt sich um einen Supraleitenden Magneten der als Speicher für Neutronen dient. Die hierzu notwendige Infrastruktur muss ausgelegt, aufgebaut und getestet werden.

Neben der Einarbeitung in das Thema der Kern und Teilchenphysik werden Fähigkeiten zur Team-Arbeit in Forschergruppen und Projektmanagement Fähigkeiten für Naturwissenschaftler weiterentwickelt.

Das Projektlastenheft wird gemeinsam erarbeitet.

Kontakt: Rainer Stoepler 089/ 28914272 oder 0162 2944773

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Stephan Paul
Optimierung der Impulsformung der Signale zylindrischer Driftrohre für den Betrieb bei hohen Teilchenflüssen

Zylindrische Driftrohre sind bestens für die genaue Vermessung der Flugbahnen von Myonen in Colliderexperimenten geeignet. Bei zukünftigen Beschleunigerprojekten wie dem HL-LHC oder dem FCC-hh werden diese Myonkammern einem Untergrund von Gammaquanten ausgesetzt sein. Die von diesen Gammanquanten ausgelösten Signale führen bei hohen Untergrundraten zur Verschlechterung des Myonnachweises. Dieser Effekt kann durch geeignete Pulsformungstechniken minimiert werden. In der Bachelorarbeit sollen verschiedene Ansätze zur Pulsformung mit simulierten und experimentellen Daten verglichen werden.

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Oliver Kortner
Optimierung der Konverterkristallherstellung für die Produktion von Ultrakalten Neutronen

Simulation einer Heliumkälteanlage mittels Matlab-Simscape®

Für eine bestehende Helium Kälteanlage zur Herstellung von UCN Konverterkristallen soll ein Simulationsmodell in Matlab® programmiert und getestet werden. Das Simulationsmodell soll zur Regleroptimierung und zur Ausbildung von Anlagenbedienern genutzt werden. Es ist eine Gruppenarbeit von bis zu 3 Studierenden möglich.

Das Thema wird in bewertbare einzelne Arbeitspakete aufgeteilt sein. Neben der Einarbeitung in das Thema der Kern und Teilchenphysik werden Fähigkeiten zur Team-Arbeit in Forschergruppen und Projektmanagement Fähigkeiten für Naturwissenschaftler weiterentwickelt. Die Projektlastenhefte werden gemeinsam erarbeitet

Kontakt: Rainer Stoepler 089/ 28914272 oder 0162 2944773

rstoepler@tum.de

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Stephan Paul
Optimierung von Algorithmen maschinellen Lernens für die Higgsbosonidentifikation
The identification of booosted Higgs-boson decays into a pair of b-quarks is based on modern machine
learning algorithms. One approach that is currently under investigation is based on a recurrent neural 
network (RNN). The aim of this study is to tune the parameter settings of this RNN algorithm 
and thus to optimize its performance.
geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Oliver Kortner
Pion polarisability from COMPASS high-statistics data

The COMPASS collaboration operates a complex spectrometer setup in order to investigate reactions of high-energy pion and muon beams with various targets. Final states with a single photon produced along the scattering of the beam particle, with only tiny momentum transfer to the target, serve to determine the electromagnetic polarisabilities of the scattered particle. This is the most precise way of accessing the pion polarisability, which is an important fundamental quantity of the microcosmos. Data have been taken in the years 2009 and 2012, with low and high statistics, respectively. The existing analysis of the 2009 data is to be applied to the 2012 data, with some need for refining the methods due to the higher statistics. Main part of the work is programming in a C++ based framework, and handling large data sets on computer clusters.

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
Themensteller(in): Jan Michael Friedrich
Search for New Particles at the COMPASS Experiment

In nature, quarks and gluons cannot exist as free particles and are always confined into hadrons. Unfortunately, the equations of the strong interaction that governs the behavior of quarks and gluons cannot be directly solved at energy scales where hadrons form. Hence theoretical predictions of hadron properties like masses and decay modes are very difficult. This is in particular true for hadrons that are made of the three lightest quarks: „up“, „down“ and „strange“. Also on the experimental side much confusion exists on what concerns masses, decay widths, and the assignment of quantum numbers of some observed states, let alone the interpretation of their internal structure.

Our group participates in the COMPASS experiment at CERN, where we study the production of mesons (hadrons with integer spin) in the scattering of a 190 GeV pion beam off a stationary proton target. The produced highly excited mesons have extremely short life times of the order of 10-24 seconds and can hence be measured only via their decay products. Our group employs and develops mathematically involved analysis tools in order to identify the produced mesons with high sensitivity and to measure their properties with high precision. We have recently found a new meson with surprising properties and also did groundbreaking work on precision measurements of the properties of the pion. This science is directly connected to the understanding of the strong force at large distances and low energies and the search for new forms of matter and therefore addresses one of the last open questions of the Standard Model.

This science project, involves the use of several state-of-the-art technologies:

  • Building of analysis models in close collaboration with theorists
  • Handling of very large data sets (several Petabytes)
  • Elaborate data fitting with more than 1000 parameters
  • Use of large computing clusters (200 cores at E18 + 2000 cores at LRZ/Excellence cluster)
  • Software development to exploit new CPU/GPU technologies

In addition, we operate and maintain a large-scale scientific apparatus, which involves tasks like:

  • Calibration of particle detectors
  • Adaptation of large simulation codes


We offer thesis topics at various levels of difficulty, which cover a wide range of subjects in strong-interaction physics, statistics and/or computer science. They include for example

  • Data handling and event selection
  • Simulation of high-energy scattering processes and detector response
  • Model building and model selection
  • Estimation of model parameters from high-dimensional data
  • Parallelization of analysis software

You have the opportunity to perform your own science analysis, e.g. searching for new particles and determining their properties. The analysis work can start at different levels within the analysis chain: from the selection of a reaction process itself in order to study the feasibility of a full-fletched analysis up to the final fitting process leading to scientific publications. The topic can be chosen according to personal preference and interest. Thesis projects usually involve travels to CERN.

Experience in programming (C++, Python) is helpful, but not required.

Contact: Boris Grube bgrube@tum.de, room PH1 3574, Tel. 089 289 12588