Trabajos de fin de máster 2020/2021

Relación de Trabajos de Fin de Máster ofertados correspondientes al curso 2020/21 dirigidos por miembros de la Unidad CFP:

1. Estudio del flujo de muones cósmicos en detectores del Short-Baseline Neutrino Program de Fermilab

El Short-Baseline Neutrino Program utiliza cámaras de proyección temporal de argón líquido para detectar los neutrinos producidos en los aceleradores de Fermilab, el principal laboratorio de Física de Partículas de Estados Unidos. Los detectores se encuentra en la superficie, expuestos a un intenso flujo de muones cósmicos que representan el principal ruido de fondo para la detección de los neutrinos. El estudio del flujo de muones cósmicos permitirá caracterizar y entender mejor este fondo, reduciendo su impacto en la búsqueda de sucesos de Física Más Allá del Modelo Estándar o astrofísica con estos detectores.

Director: Dr. José I. Crespo-Anadón ( jcrespo@ciemat.es )

2. Estudio de la detección de muones cósmicos con ProtoDUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en el CERN

Resumen: 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 tomar datos con muónes cósmicos 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 diferentes condiciones del detector para caracterizar la producción, propagación y detección de la señal de centelleo producida tras la interacción de los muones en el argón líquido.

Directora: Dra. Clara Cuesta (clara.cuesta@ciemat.es)

3. LiquidO: Una nueva tecnología para la Detección de Neutrinos

LiquidO es un proyecto de I+D para el desarrollo de una nueva tecnología de detección de neutrinos. Esta nueva tecnología se basa en el uso de líquido centellador opaco (con aspecto de leche o parafina) que resuelve las limitaciones del método tradicional de detección de neutrinos con líquido centellador para su uso en futuros experimentos que requieren grandes dimensiones (>kton) y la disolución de isótopos, como los experimentos de desintegración doble beta sin neutrinos. El trabajo propuesto consiste en el desarrollo de simulaciones Monte Carlo y en el análisis de datos de un prototipo que está tomando datos actualmente. El trabajo tiene lugar en el entorno de una colaboración internacional en la que participan institutos y universidades de Francia, Italia y Japón.

Directora: Dra. Carmen Palomares Espiga (mc.palomares@ciemat.es)

4. Búsqueda de nuevos procesos más allá del Modelo Estándar de Partículas e Interacciones usando datos de colisiones pp tomados por CMS en el colisionador LHC del CERN

La evidencia experimental y los desarrollos teóricos del último medio siglo han establecido el Modelo Estándar (ME) como una teoría de referencia, confirmada, hasta el momento, con el reciente descubrimiento del bosón de Higgs. Sin embargo, algunos aspectos de física fundamental parecen no tener explicación en esta teoría. Uno de los principales objetivos del programa científico del experimento CMS es buscar evidencias de nuevos procesos físicos, más allá del ME. En este trabajo se analizarán datos de colisiones protón-protón a sqrt(s) = 13 TeV tomados por CMS, así como sucesos simulados para realizar una búsqueda.

Directora: Dra. Begoña de la Cruz Martínez (begona.delacruz@ciemat.es)

5. Medida de la interferencia cuántica entre quarks top y anti-top en el experimento CMS

El colisionador LHC es una extraordinaria factoría de quarks top, capaz de producir 10 sucesos top-antitop por segundo en modo normal de funcionamiento. Gracias a su enorme masa, el top es el único quark que se comporta de forma efectiva como un quark libre, sin sufrir apenas interacciones fuertes antes de su desintegración en partículas más ligeras. Ello permite estudios únicos de coherencia cuántica en el estado final. En este trabajo cuantificaremos de forma precisa, usando datos del experimento CMS, el nivel de interferencia cuántica entre top y antitop, por oposición a una situación en el que estas interferencias estuvieran ausentes. Este tipo de correlaciones se podrán utilizar para establecer límites a efectos de provenientes de nuevas interacciones a altas escalas de energía.

Director: Prof. Juan Alcaraz Maestre ( Juan.Alcaraz@cern.ch )

6. Medida de la asimetría de carga de quarks bottom en futuros colisionadores electrón-positrón

La asimetría de carga de quarks bottom (AFB(b)) es el observable electrodébil medido en colisiones electrón-positrón que presenta mayores desviaciones con respecto a las predicciones del modelo estándar. Su medida, llevada a cabo en colisionadores pasados como LEP y SLC, ha dado lugar a diversas hipótesis de nueva física que pudieran explicar tal desviación.  Afb(b) será medido de nuevo con una precisión al menos 10 veces mejor en futuros colisionadores electrón-positrón. Este estudio realizará la medida de la asimetría con datos simulados en el contexto de la propuesta de colisionador circular FCC-ee, el cual será capaz de producir varios billones de bosones Z en pocos años de funcionamiento. Los resultados aportarán una estimación realista de las incertidumbres finales que se puedan alcanzar y de sus implicaciones en términos de nueva física.

Director: Prof. Juan Alcaraz Maestre ( Juan.Alcaraz@cern.ch )

7. 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. Una 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, Dr. Vicente Pesudo - (DarkMatter@ciemat.es)

8. 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, Dr. Roberto Santorelli - (DarkMatter@ciemat.es)

9. Desarrollo de algoritmos basados en inteligencia artificial para la búsqueda directa de materia oscura con los experimentos DEAP-3600 y DarkSide-20k

La inteligencia artificial, y especialmente las redes neuronales, se están convirtiendo en una herramienta fundamental para el análisis de grandes volúmenes de datos, y la física de partículas no es una excepción. Para este trabajo, proponemos el entrenamiento y análisis de redes neuronales para contribuir a resolver uno de los mayores desafíos de la física actual: la comprensión de la naturaleza de la Materia Oscura. Uno de los candidatos más prometedores son las partículas masivas débilmente interactivas (WIMP), que intentamos detectar mediante experimentos basados en argón líquido como DEAP-3600 y DarkSide-20k. La gran cantidad de datos generados por parte de estos experimentos tiene que ser procesada y analizada de manera fiable y rápida, y la inteligencia artificial está jugando un papel cada vez más central. El objetivo principal de este trabajo es el procesado con redes neuronales de los datos del experimento DEAP-3600, que está tomando datos en el laboratorio SNOLAB (Canadá), para mejorar el rendimiento de algoritmos de clasificación y regresión. 

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

10. Cosmología con cartografiados extragalácticos en radiotelescopios

Los cartografiados extragalácticos nos permiten estudiar la naturaleza del Universo tratando de dar respuesta a multitud de interrogantes como la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura. Estos cartografiados observan mapas de las distribuciones de galaxias con instrumentos en distintas frecuencias, como frecuencias ópticas o de radio. El objetivo de este trabajo consiste en estudiar como futuros cartografiados con radiotelescopios, y en particular la observación de la distribución de hidrógeno en el Universo, nos van a permitir determinar observables como. por ejemplo, el ritmo de expansión del Universo. Para este proyecto, usaremos la teoría cosmológica del crecimiento de estructuras y simulaciones cosmológicas para determinar la precisión futura de la que dispondremos con este tipo de cartografiados.

Director: Dr. Jacobo Asorey Barreiro (Jacobo.Asorey@ciemat.es )

11. Resolviendo los discos de las estrellas: interferometría de intensidad con los telescopios MAGIC

Resumen: 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 el análisis e interpretación científica de los datos.

Directores: Dr. Juan Cortina Blanco y Dr. Tarek Hassan Collados  (Juan.Cortina@ciemat.es)
Posible Tutor en UCM: Dr. J.L Contreras

12. Física fundamental con futuros detectores espaciales de rayos cósmicos

Resumen: 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. Miguel Ángel Velasco (MiguelAngel.Velasco@ciemat.es) , Dr. Jorge Casaus (Jorge.Casaus@ciemat.es)

13. Medida precisa de la velocidad de partículas cargadas en detectores espaciales

Resumen: 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) , Dra. Francesca Giovacchini (Francesca.Giovacchini@ciemat.es)