Themen für Abschlussarbeiten 2021

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Stefan Roth

T2K/TPC

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  Prinzip einer TPC Urheberrecht: © RWTH

Unsere Arbeitsgruppe befasst sich mit Projekten, in denen wir Detektoren, die nach dem faszinierenden Prinzip einer Time Projection Chamber (TPC) funktionieren, in verschiedenen Anwendungen einsetzen. Wir bieten im Jahr 2021 wieder spannende Themen für Bachelor- und Masterarbeiten an. Kontaktieren Sie uns und wir finden auch das richtige Thema für Sie!

 

Neue TPCs für das Upgrade des T2K-Nahdetektors

Nicht verfügbar Urheberrecht: © Nick Thamm

Das Experiment T2K (Tokai to Kamioka) untersucht das Phänomen der Neutrinooszillationen. Dabei ist es auf CP-Verletzung, also einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, sensitiv und könnte so eine Erklärung dafür liefern, warum sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig vernichtet haben.

Aktuell wird der Nahdetektor erweitert, in Kürze wird die Strahlleistung des Beschleunigers erhöht und in einigen Jahren wird Hyper-Kamiokande als Ferndetektor seinen Betrieb aufnehmen. Für die Erweiterung des Nahdetektors von T2K werden neue TPCs installiert, die die Neutrinostreuung unter größeren Winkeln vermessen sollen. Wir werden aus Aachen als Teil des Gesamtsystems Monitorkammern (siehe Bild) beisteuern.

Beim Aufbau, der Inbetriebnahme und dem Test dieser neuen TPCs können Sie mitmachen! Es können sowohl Bachelor- als auch Masterarbeiten durchgeführt werden. Der Bau der Monitorkammern erfolgt in unserem Labor in Aachen, die Inbetriebnahme des TPC-Systems am CERN und die Integration in den Nahdetektor am Forschungszentrum J-PARC in Japan. Auch im Bereich der Software für die Spurekonstruktion in den neuen TPCs sind Themen für Abschlussarbeiten zu vergeben.

 

Hochdruck-TPCs für Neutrino-Beamlines

Nicht verfügbar Urheberrecht: © Philip Hamacher-Baumann

Nachdem das T2K-Experiment erste Hinweisen auf CP-Verletzung im Neutrinosektor gefunden hat, wird der definitive Nachweis der CP-Verletzung und damit eine mögliche Erklärung für das Verschwinden der Antimaterie nach dem Urknall durch größere Nachfolge-Projekte erfolgen, dem Deep Underground Neutrino Laboratory (DUNE) und dem Hyper-Kamiokande Experiment (HyperK) in Japan. DUNE umfasst die größte jemals gebaute TPC mit flüssigem Argon in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota sowie eine gasgefüllte Hochdruck-TPC (HPgTPC) am Fermilab.

Unsere Gruppe hat große Erfahrung in der Untersuchung der Parameter von Driftkammergasen. Wir können diese bei Drücken bis zu 10 bar durchführen. Derzeit untersuchen wir die Verwendbarkeit verschiedener argonbasierter Mischungen für die geplante HPgTPC bei DUNE. Zu diesem Zweck haben wir eine Miniatur-TPC, eine so genannte Hochdruck-Gasmonitorkammer (HPGMC), konstruiert (siehe Bild). Systematische Studien der Driftgas-Parameter in den vorgeschlagenen Gasgemischen für die HPgTPC bei verschiedenen Drücken werden ein entscheidender Input für das Design der HPgTPC sein.

Im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten können Messungen mit der HPGMC und Simulationen der verwendeten Gasgemische durchgeführt werden. Damit kann man entscheidend zum Design eines zukünftigen Großexperiments der Teilchenphysik beitragen.

 

Eine Liquid-Organic TPC zur Überwachung von Endlagern für radioaktiven Abfall

Nicht verfügbar Urheberrecht: © Thomas Radermacher

Niederenergetische Neutrinos unter 5 MeV sind in der Neutrinophysik von besonderem Interesse, z. B. für die Untersuchung von solaren Neutrinos und Geoneutrinos. Dies gilt auch bei einem neuen Konzept zur Überwachung von Endlagern für radioaktive Abfälle, bei der die Neutrinos gemessen werden sollen, die von den im Abfall vorhandenen radioaktiven Isotopen bei ihrem Zerfall erzeugt werden.

In diesem Projekt wird eine TPC entwickelt, die statt eines Driftgases eine organische Flüssigkeit nutzt, um niederenergetische Neutrinos nachzuweisen. Im Gegensatz zu verflüssigten Edelgasen (z.B. Liquid-Argon-TPC) müssen organische Flüssigkeiten nicht zu tiefen Temperaturen abgekühlt werden, sondern befinden sich in der Regel bei Raumtemperatur schon in der flüssigen Phase. Ein Beispiel für solch ein Material, bei dem eine freie Drift von Elektronen nachgewiesen wurde, ist Tetramethylsilan. Wir untersuchen die Parameter der Elektronendrift in Tetramethylsilan, die uns zum Design unseres LOr-TPC-Prototyps führen sollen.

Beim Aufbau eines Prototyp-Detektors (siehe Bild) in unserem Labor können Sie mit Ihrer Abschlussarbeit von Anfang an dabei sein! Sie können aber auch bei der Entwicklung einer Simulation mitarbeiten, die das Monitoring eines nuklearen Endlagers mit dem vorgeschlagenen Neutrinodetektor abbildet.

 

Gewebeäquivalente Gasdetektoren zur Strahlungsüberwachung

Nicht verfügbar Urheberrecht: © CERN

Auf dem Gebiet der Strahlungsüberwachung und Mikrodosimetrie versuchen Forscher, die Energiedeposition von Teilchen, die menschliches Gewebe durchdringen, auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen, z.B. im Rahmen der Strahlentherapie von Tumoren. Für das Verständnis der relativen biologischen Wirksamkeit ist dabei nicht nur die Strahlendosis und Strahlenart wichtig, sondern auch die örtliche Verteilung der absorbierten Energie. Hierfür sollen TPCs genutzt werden , die mit speziell konstruierten Gewebeäquivalent-Gasgemischen (TEG) gefüllt sind, so dass sie der atomaren Zusammensetzung des menschlichen Gewebes ähneln.

In Zusammenarbeit mit CERN-Forschern wollen wir die Elektrondrift in TEG-Gasgemischen untersuchen. Dazu gehört das Mischen von TEGs mit einer vorhandenen Gasmischanlage, die Messung und Analyse der Driftgeschwindigkeit mit Monitorkammen sowie die Durchführung von Simulationen auf dem Computer-Cluster der Physik.

Sie können im Rahmen einer Bachelorarbeit entweder bei der Vermessung der Gasparameter oder bei den Simulationen mitwirken.