Trabajos de fin de máster 2019/20

Relación de Trabajos de Fin de Máster ofertados correspondientes al curso 2019/2020 dirigidos por miembros de la Unidad CFP:

Análisis de la luz de centelleo con el detector ProtoDUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en el CERN

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 acaba de empezar a tomar datos en el CERN. El grupo de neutrinos del CIEMAT está encargado del sistema de detección de la luz de centelleo de dicho detector, que consiste en grandes fotomultiplicadores operando a temperatura criogénica. Las tareas propuestas en este trabajo fin de máster comprenden el análisis de los datos y la simulación de los procesos que tienen lugar en el detector para caracterizar la producción, propagación y detección de la señal de centelleo.


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

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

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.

 

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

Estudio sobre la medida del bosón de Higgs del ME en el canal de desintegración a WW semileptónico en el experimento CMS del LHC (CERN)

El descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar (ME), con una masa alrededor de 125 GeV, por los experimentos situados en el LHC del CERN, ATLAS y CMS, en 2012 representa un hito en la física de partículas.

Esta nueva partícula ha sido detectada y estudiada en varios estados finales, ente ellos el canal dileptónico de la desintegración en WW.

 Para el estado final semileptónico de WW, la gran contaminación de procesos del ME como W+Jets y producción de quark tops hacen la medida del bosón de Higgs mucho más complicada. Una solución práctica consiste en usar técnicas de Aprendizaje Automático para diferenciar entre los procesos de contaminación del ME y la señal del bosón de Higgs. Esta estrategia requiere la optimización de la reconstrucción del candidato a bosón de Higgs y la identificación de variables discriminantes.  Se propone realizar un estudio a nivel de simulación para evaluar la plausibilidad de la medida del bosón de Higgs del ME en el canal semileptónico de su desintegración en WW, en el experimento CMS, usando técnicas de Aprendizaje Automático.

 

Director: Dr. Dermot Moran (Dermot.Moran@ciemat.es)

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

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 con el fin de optimizar la sensibilidad de la señal de WIMPs, reduciendo significativamente los eventos de contaminación. Por otro lado, nuestro grupo participa en el experimento ArDM/DART, instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc bajo los Pirineos, que tiene como objetivo medir la contaminación de radionuclides en argón radiopuro, que es uno de los parámetros más importante para definir la sensibilidad a la detección de WIMPs. 

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/DART, 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.

 

Directores: Dr. Pablo Garcia (CIEMAT), Dr. Vicente Pesudo (CIEMAT) - (DarkMatter@ciemat.es)

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

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 los materiales con los que se construya sean puros desde el punto de vista de la radioactividad natural y que su capacidad para discriminar señal y fondo funcione a la perfección. Los objetivos del trabajo se pueden adaptar a los intereses del/de la estudiante, centrándose en la radiopureza de los materiales y/o en simulaciones Monte Carlo necesarias para el cálculo del fondo del experimento. 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.

 

Directores: Dr. Luciano Romero (CIEMAT), Dr. Roberto Santorelli (CIEMAT) - (DarkMatter@ciemat.es)

Desarrollo de algoritmos basados en inteligencia artificial para clasificación de eventos en el experimentos DEAP-3600 y DarkSide

La inteligencia artificial y especialmente las redes neuronales están siendo ampliamente utilizadas en física de partículas para extraer información de grandes volúmenes de datos. Por otro lado, uno de los más relevantes desafíos de la física actual es la comprensión de la naturaleza de la Materia Oscura. Uno de los candidatos más prometedores son las partículas masivas débilmente interactivas (WIMP), que se intentan detectar por medio de experimentos basados en argón líquido como DEAP-3600 y DarkSide. La gran cantidad de datos generados por parte de estos experimentos tiene que ser procesada y analizada de manera fiable y rápida. Para esta tarea, las inteligencia artificial puede jugar un papel relevante. El objetivo principal de este trabajo es la clasificación,con redes neuronales, de distintos tipos de eventos en el experimento DEAP-3600, que está tomando datos  en el laboratorio SNOLAB (Canadá).

 

Directores: Dr. Miguel Cárdenas (CIEMAT), Dr. Vicente Pesudo (CIEMAT) - (DarkMatter@ciemat.es)

Primeras observaciones ópticas con resolución angular de centenares de microsegundos de arco usando MAGIC

Los telescopios Cherenkov, como los dos MAGIC en el Roque de los Muchachos, se dedican a la observación del cielo en el rango de rayos gamma de muy alta energía. Pero además, gracias a sus espejos de 17 metros de diámetro y sus fotodetectores ultrarápidos (ns), son óptimos para hacer interferometría de intensidad en el rango óptico. Esta técnica permite transformar estos instrumentos en los telescopios con la mayor resolución angular existente en el rango óptico. Son capaces de alcanzar una resolución de centenares de microsegundos de arco, permitiendo estudiar el tamaño o la forma de las estrellas, discos de decreción/acreción y manchas o vientos estelares. Hemos realizado con éxito primeras detecciones de estrellas con MAGIC y tomaremos nuevos datos durante la temporada 2019/2020. El TFM se centraría en la identificación de candidatos a observar y el análisis e interpretación científica de los datos.


Directores: Dr. Juan Cortina (CIEMAT) (Juan.Cortina@ciemat.es) y Dr. Tarek Hassan (DESY Zeuthen, Alemania)

Interpretación de la señal observada por AMS en el espectro de positrones en los rayos cósmicos

Los resultados más recientes del espectrómetro magnético AMS-02, que opera en la Estación Espacial Internacional desde 2011, proporcionan una descripción precisa del exceso observado en el flujo de positrones en los rayos cósmicos.  Las medidas requieren la introducción de una fuente adicional no contemplada en los modelos comúnmente aceptados. Esta fuente puede provenir de un objeto astrofísico compacto o, por el contrario, ser el resultado de la aniquilación de partículas de materia oscura en el halo de la galaxia. Otras posibles explicaciones se han propuesto recientemente.

El objetivo de este trabajo es investigar la consistencia de las descripciones alternativas de la señal de AMS-02.

 

Directores: Dr. Carlos Mañá (Carlos.Mana@ciemat.es) , Dr. Jorge Casaus (Jorge.Casaus@ciemat.es)

Física fundamental con futuros detectores espaciales de rayos cósmicos

La medida precisa de los rayos cósmicos representa uno de los métodos más sensibles para realizar estudios de física fundamental. La detección de rayos cósmicos desde plataformas espaciales proporciona una medida directa de sus propiedades y ha permitido determinar de forma precisa distorsiones en su espectro energético y en su composición que podrían ser indicaciones de física más allá del modelo estándar. La obtención de una determinación inequívoca de su origen requerirá una nueva generación de detectores con mejor sensibilidad. El objetivo de este trabajo es el estudio comparativo de las diversas opciones propuestas para los próximos detectores espaciales.

 

 Directores : Dr. Javier Berdugo (Javier.Berdugo@ciemat.es) , Dr. Jorge Casaus (Jorge.Casaus@ciemat.es)

Medida precisa de la velocidad de partículas cargadas en detectores espaciales

La determinación de la masa de las partículas subatómicas que constituyen los rayos cósmicos requiere una medida precisa de su velocidad. Entre las diversas técnicas experimentales utilizadas en los detectores espaciales, la medida de la radiación Cerenkov y la del tiempo de vuelo son las que proporcionan las mejores prestaciones. El detector de anillos Cerenkov del espectrómetro magnético AMS-02, que opera en la Estación Espacial Internacional desde 2011, proporciona medidas con una resolución mejor que una parte en mil y ha permitido realizar la separación isotópica de los rayos cósmicos en un amplio rango energético. La nueva generación de espectrómetros magnéticos requerirá la medida de la velocidad con una resolución comparable, pero utilizando la técnica de medida del tiempo de vuelo. El objetivo de este trabajo es estudiar el comportamiento del detector Cerenkov de AMS-02 a lo largo de diez años de operación en el espacio y verificar, con medidas realizadas en el CIEMAT, las capacidades de los detectores propuestos para la medida precisa de la velocidad en los futuros detectores espaciales de rayos cósmicos.

 

Directores: Dr. Jorge Casaus (Jorge.Casaus@ciemat.es) , Dr. Carlos Mañá (Carlos.Mana@ciemat.es)

Relación de colores de las galaxias con su tasa de formación estelar

Las galaxias  suelen caer en una secuencia continua con una cierta dispersión en los diagramas color-color. Según los modelos PoPStar los objetos que tienen formación estelar (SFR) más intensa, tendrán una contaminación en los colores en banda ancha debido a líneas de emisión. La contribución de éstas, debidas a las poblaciones estelares mas jóvenes, hacen que los colores se muevan de manera transversal a la banda de la secuencia principal de galaxias en esos diagramas color-color, siendo la distancia a esa banda una medida de la intensidad de la formación estelar y/o de la edad de ese último brote reciente de formación de estrellas. Dado que la formación estelar ha sido mayor en el pasado, este efecto debería ser más claro a alto redshift.

El objetivo del trabajo es hacer un análisis de los datos del Dark Energy Survey (DES) en 4 bandas para galaxias, hacer grupos de galaxias con menor y mayor SFR y comprobar si los "outliers" aparecen en mayor medida a mayores redshifts. El trabajo implica:

 

1) Aprender a manejar un catálogo masivo de más de 200 millones de galaxias de DES

2) seleccionar los objetos relevantes y usar herramientas estadísticas para determinar si hay alguna correlación que nos permita comprobar si el resultado predicho es observable.

3) Asimismo, se podrían utilizar datos del survey espectrofotométrico PAU para comprobar la presencia de las líneas para estos outliers en las áreas comunes con DES.

 

Directores: Ignacio Sevilla (Ignacio.Sevilla@ciemat.es) y Mercedes Mollá (Mercedes.Molla@ciemat.es)

Composición química en las estrellas de la librería de MEGARA y búsqueda de elementos raros

El trabajo consiste en el análisis espectral de las estrellas observadas en la librería de MEGARA-GTC para la identificación y medida de líneas espectrales. El trabajo incluye las siguientes tareas

  1. Búsqueda de librerías de líneas espectrales a la resolución de MEGARA en los setups de HR-R y HR-I
  2. Creación de un software que permita la identificación automática de las líneas incluyendo una figura de mérito que describa la probabilidad de la correcta identificación en cada caso
  3. Búsqueda sistemática de líneas “raras” en la librería de estrellas de MEGARA (número de espectros disponibles: 20)
  4. Medidas de las intensidades de las líneas y sus anchuras equivalentes

 

Directores: Mercedes Mollá (Mercedes.Molla@ciemat.es) y Marisa García –Varga (Fractal SLNE)

 

Análisis de poblaciones estelares en galaxias a redshift 0.5 < z < 1.0

Este trabajo implica el análisis de espectros de galaxias anfitrionas de supernovas tipo Ia a alto redshift en los catálogos de VVDS, DEEP2, y COSMOS.

El objetivo del trabajo caracterizar estas galaxias usando el programa FADO, que da como resultados las mejores combinaciones de poblaciones estelares capaces de reproducir los datos, y obtener así la historia de formación estelar (SF) y la evolución de la metalicidad estelar Z* de cada galaxia. El proyecto implica aprendizaje de manejo y uso de la herramienta FADO, aprender que es la síntesis evolutiva y los ingredientes de las distribuciones espectrales de energía, así como la información en términos evolutivos que puede extraerse de este tipo de datos.

A partir de las metalicidades medias, y usando datos previos del grupo para galaxias a redshifts menores, hacer un diagrama de Hubble hasta z=1 y comprobar si existe o no una dependencia de la distancia estimada de las SN-Ia con la metalicidad estimada de sus galaxias anfitrionas.

Tareas/hitos:

- Búsqueda de galaxias anfitrionas de supernovas Ia en los catálogos citados. Obtención de sus espectros
- Procesado de dichos espectros para su análisis
- FADO, incluir un espectro de prueba y aprender a usar el paquete, sacar resultados, realizar gráficos de evolución de Z* y de SF
- Realizar el mismo análisis para todas las galaxias encontradas. Obtener metalicidades medias, masas estelares y SF rate para todas ellas
- Búsqueda de las características de las SNIa para tener una tabla completa de datos SNIa-galaxias anfitrionas. Añadir datos de otros redshift y hacer un diagrama de Hubble. Chequear si hay una dependencia con la metalicidad

 

Directores: Mercedes Mollá (Mercedes.Molla@ciemat.es)  y Lluis Galbany (UGR)