Trabajos de fin de máster 2018/19

Relación de Trabajos de Fin de Máster correspondientes al curso 2018/2019 dirigidos por miembros de la Unidad CFP:

Detección de neutrinos de supernovas en el experimento de argón líquido DUNE

Dra. Inés GIl Botella (CIEMAT) (ines.gil@ciemat.es)

El experimento DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) es un detector de 40 kton de argón líquido que se va a instalar en el laboratorio subterráneo de SURF (Dakota del Sur) para recibir un haz de neutrinos que se producirá a 1300 km de distancia en Fermilab. Gracias a su gran tamaño y que se instalará a más de 1 km de profundidad, será posible estudiar no solo la violación de la simetría CP mediante las oscilaciones de los neutrinos sino también detectar neutrinos procedentes de fuentes astrofísicas como las supernovas.

En este trabajo de máster se propone estudiar la producción de neutrinos en las explosiones de supernovas, los efectos de las oscilaciones en los diferentes tipos de neutrinos y su detección en experimentos de partículas subterráneos. En particular, se pretende evaluar las ventajas del experimento DUNE para detectar neutrinos electrónicos y obtener información sobre la jerarquía de masas de los neutrinos así como de la dinámica de la explosión de las supernovas.

Análisis de la detección de luz con los prototipos de DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en el CERN

Dra. Carmen Palomares (CIEMAT) (mc.palomares@ciemat.es), Dra. Clara Cuesta (CIEMAT) (clara.cuesta@ciemat.es)

Los futuros experimentos de neutrinos como DUNE en Fermilab (EE.UU.), cuyo principal objetivo es la medida de la violación de la simetría CP en el sector leptónico, consistirán en detectores TPC de argón líquido expuestos a haces de neutrinos. En este contexto ProtoDUNE es un prototipo de 300 toneladas que se está construyendo en el CERN. Como paso previo, un detector de 3x1x1 m3 ha tomado datos con rayos cósmicos también en el CERN. El grupo de neutrinos del Ciemat está encargado del sistema de colección de la luz de centelleo en dichos detectores, que consiste en grandes fotomultiplicadores operando a temperatura criogénica. Las tareas propuestas en este trabajo de máster comprenderán el análisis de los datos de la señal de luz con el fin de estudiar su eficiencia de detección y la simulación de los procesos que tendrán lugar en el detector para caracterizar su señal de centelleo.

Análisis de datos de los experimentos de búsqueda directa de Materia Oscura ArDM y DEAP-3600

Dr. Luciano Romero (CIEMAT), Dr. Vicente Pesudo (CIEMAT) - (DarkMatter@ciemat.es)

La naturaleza de la Materia Oscura es ampliamente considerada una de las más importantes cuestiones abiertas de la física moderna. Múltiples observaciones sugieren que menos del 15% del contenido de materia del universo está hecho de materia ordinaria, mientras que la mayor contribución viene dada por materia no-luminosa y no-bariónica que se manifiesta a través de sus efectos gravitatorios. Un posible explicación al problema de la Materia Oscura reside en la existencia de partículas masivas que interaccionan débilmente llamadas WIMPs, remanentes del Big Bang. Hay varios proyectos mundiales en marcha, llevados a cabo en laboratorios subterráneos, que buscan señales ínfimas producidas por las interacciones de las WIMPs. Uno de ellos es el experimento DEAP-3600, con 3600 kg de argón líquido, que está situado en el laboratorio SNOLAB (Canadá). El grupo CIEMAT-DM participa en la toma de datos y análisis de los mismos, desarrollando técnicas avanzadas de análisis para optimizar la sensibilidad de la señal de WIMPs, reduciendo significativamente los eventos de contaminación. Por otro lado, nuestro grupo participa en el experimento ArMD, instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc bajo los Pirineos, cuyo objetivo es detectar WIMPs con una cámara de proyección temporal (TPC) electroluminescente llena de una tonelada de argón líquido. La finalidad de este trabajo de máster es contribuir al análisis de los datos que están siendo tomados actualmente por los experimentos DEAP-3600 y ArDM, verificar el rendimiento de los detectores de argón líquido y su capacidad de rechazo de eventos de ruido. Las tareas propuestas conllevan un intenso aprendizaje de física de partículas, nuclear y de detectores, proporcionando una excelente experiencia cara a afrontar una tesis en física o astrofísica de partículas.

Estudio, construcción y desarrollo de un nuevo detector de argón de doble fase para búsqueda directa de Materia Oscura con el experimento DarkSide-20k.

Dr. Pablo Garcia (CIEMAT), Dr. Roberto Santorelli (CIEMAT) - (DarkMatter@ciemat.es)

La detección directa de materia oscura es uno de los principales retos de la física moderna y su descubrimiento supondría un importante avance en el conocimiento tanto en los ingredientes fundamentales del universo como en el papel que estos jugaron en momentos clave de su evolución temprana. El grupo de Materia Oscura del CIEMAT (CIEMAT-DM) está especializado en este campo de la física y tiene amplia experiencia en el diseño, construcción, operación y análisis de datos de experimentos basados en detectores de argón líquido. Actualmente estamos participando en los experimentos ArDM (LSC, Canfranc, España) y DEAP-3600 (SNOLAB, Canadá). La ausencia, hasta la fecha, de la observación de partículas masivas de materia oscura, WIMPs, exige la construcción de detectores muy masivos, cuya sensibilidad sea suficiente para descubrir partículas cuyas secciones eficaces de interacción estén muy por debajo de los límites experimentales actuales. DarkSide-20k será el mayor detector de argón líquido destinado a la búsqueda de materia oscura. Con 20 toneladas de este material, tendrá una sensibilidad sin precedentes a las señales de WIMPs. Este detector será instalado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso (Italia) y empezará a tomar datos en 2022. Para que DarkSide-20k alcance sus objetivos científicos es esencial que su capacidad para discriminar señal y fondo (con un sistema llamado "veto") funcione a la perfección, que los materiales con los que se construya sean puros desde el punto de vista de la radioactividad natural, y que el argón utilizado para registrar los eventos contenga unas cantidades del isótopo Ar-39 insignificantes en comparación con lo que uno encuentra en el argón atmosférico. Los objetivos del trabajo se pueden adaptar a los intereses del/de la estudiante, centrándose en la optimización del veto, el impacto de la radiopureza de los meteriales en la sensibilidad del detector o la medida (en un experimento específico a realizar en el LSC) de la pureza  del argón obtenido de pozos subterráneos. Todas las tareas propuestas conllevan un intenso aprendizaje de física de partículas, nuclear y de detectores, proporcionando una excelente experiencia cara a afrontar una tesis en física o astrofísica de partículas.

Estudio de la producción asociada de un bosón vectorial W y jets de quarks b en colisiones protón-protón a sqrt(s)=13 TeV con datos del experimento CMS del LHC (CERN)

Dra. M.Isabel Josa Mutuberría (CIEMAT) (Isabel.Josa@ciemat.es)

La producción de bosones vectoriales W es uno de los procesos más abundantes en el LHC. En una pequeña fracción de estos sucesos el bosón W se produce en asociación con un jet originado en la hadronización de un quark b. Es interesante estudiar este tipo de sucesos ya que presentan la misma topología que los originados en la producción de un bosón de Higgs en asociación con un bosón vectorial W y la subsiguiente desintegración del bosón de Higgs en un par de quarks bbbar. En el contexto del Modelo Estándar la producción de un W y jets de quark b se produce únicamente por el “splitting” de un gluon en un par quark b-antiquark b, proceso este que no está bien modelado en los generadores de sucesos MC usados más habitualmente.

En este trabajo se propone estudiar la producción de bosones W con jets de quarks b en colisiones protón-protón a una energía en el sistema centro de masas de 13 TeV. Para ello se utilizarán datos de colisiones pp en el LHC del CERN recogidos por el experimento CMS durante el año 2017.

Requisitos: Estar matriculado en la asignatura de Física Experimental de Partículas y Cosmología del Máster.

Estudio de Modelos de propagación de rayos cósmicos con AMS

Dr. Carlos Mañá Barrera (CIEMAT) (Carlos.Mana@ciemat.es), Dr. Jorge Casaus Armentano (CIEMAT) (Jorge.Casaus@ciemat.es). 

Tras más de 7 años de funcionamiento en la Estación Espacial Internacional, el espectrómetro magnético AMS-02 ha medido con precisión el flujo de rayos cósmicos (electrones, positrones, protones, antiprotones y núcleos ligeros) hasta energías del TeV. Las desviaciones observadas en todas estas especies respecto a los modelos aceptados para su producción y propagación pueden indicar la presencia de nuevos mecanismos o nueva física conectada con la naturaleza de la materia oscura en la galaxia. Las nuevas medidas de AMS-02 de los cocientes entre isótopos de elementos ligeros, proporcionarán un conjunto de datos suficiente para reducir sensiblemente las incertidumbres asociadas a los modelos de propagación de rayos cósmicos. El objetivo de este trabajo es evaluar el impacto esperable de las futuras medidas de AMS-02.

Estudio de un calorímetro para la detección directa de rayos cósmicos hasta energías de 1 PeV

Dr. Javier Berdugo Pérez (CIEMAT) (Javier.Berdugo@ciemat.es), Dr. Jorge Casaus Armentano (CIEMAT) (Jorge.Casaus@ciemat.es).

La medida directa del espectro energético de las especies más abundantes en los rayos cósmicos (protones, electrones,  nucleos ligeros) muestra estructuras no compatibles con una pura ley de potencias en la energía. Estas observaciones apuntan a la existencia de mecanismos de producción o propagación no previstos en los modelos actuales y podrían indicar la presencia de nueva física. Para discernir entre las distintas posibilidades es necesario extender el rango energético de las medidas precisas realizadas en plataformas espaciales más allá del TeV. Dada la baja tasa esperada a estas energías, será necesario disponer de instrumentos con gran área efectiva. El experimento HERD, propuesto para extender el rango de estas medidas hasta energías del PeV a bordo de la futura Estación Espacial China, incorporará un calorímetro de estas 
  características. El objetivo de este trabajo es validar el diseño propuesto mediante la simulación y el análisis de los datos recogidos con un prototipo del calorímetro en el CERN.

Estructura a gran escala en los datos Y1A1 Gold del Dark Energy Survey

Dr. Aurelio Carnero (CIEMAT) (Aurelio.Carnero@ciemat.es), Dr. Ignacio Sevilla (CIEMAT) (Ignacio.Sevilla@ciemat.es)

En este proyecto analizaremos los datos públicos del año 1 del Dark Energy Survey en relación a la estructura a gran escala de galaxias. Para eso, utilizaremos las muestras del proyecto específicas para tal objetivo, como son la muestra BAO (oscilaciones acústicas de bariones) y la muestra Redmagic (galaxias rojas luminosas, LRG). En particular, analizaremos la señal de las oscilaciones acústicas de bariones en estas muestras y sus vínculos con parámetros cosmológicos.