• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.
• Title English: Analysis of data from the SST-1M cherenkov telescopes

Abstrakt

Zemská atmosféra je pro kosmické gama fotony vysokých energií neprůhledná. Tyto fotony interagují s jádry atomů v atmosféře a vytváří spršky sekundárních částic vyzařující tzv. čerenkovské záření, které můžeme detekovat pozemními dalekohledy. Dalekohled SST-1M byl vyvinut jako prototyp malého dalekohledu pro budoucí observatoř Čerenkov Telescope Array, a je citlivý na čerenkovské záření spršek indukovaných v atmosféře primárními gama fotony o energiích větších než 3 TeV. Fyzikální a Astronomický Ústav AV ČR ve spolupráci se zahraničními institucemi v současné době uvádí do provozu dvojici těchto dalekohledů na observatoři v Ondřejově. Stereoskopická pozorování spršek umožní rekonstruovat vlastnosti primárních gama fotonů s mnohem větší přesností, než pokud by každý ze dvojice dalekohledů pracoval samostatně. Diplomová práce se bude zabývat vývojem metod stereoskopické rekonstrukce spršek a povede ke stanovení citlivosti, a úhlového a energetického rozlišení dvojice dalekohledů. 

Velké zorné pole dalekohledů umožní pozorovat rozlehlé zdroje záření gama v naší Galaxii, mezi které patří také nová třída objektů, tzv. TeV hala. Tyto objekty vznikají volným šířením rychlých elektronů a pozitronů unikajících z centrálního pulzaru potom, co díky své velké rychlosti opustí mlhovinu pulsarového větru. Díky tomu mohou TeV hala sloužit jako unikátní laboratoře pro nezávislé stanovení hodnot difuzního koeficientu v modelech šíření relativistických částic v prostředí naší Galaxie. Dalším cílem práce bude zhodnocení perspektivy dalekohledů SST-1M pro detekci a morfologické studie těchto objektů.

Abstract

The Earth's atmosphere is not transparent for cosmic gamma-ray photons of very high energies. These photons interact with atomic nuclei in the atmosphere and produce showers of secondary particles emitting the so-called Cherenkov radiation, which can be detected with ground-based Cherenkov telescopes. SST-1M was developed as a prototype of a Small-Sized Telescope for the Cherenkov Telescope Array, designed for observations of the gamma-ray induced atmospheric showers of energies above 3 TeV. Institute of Physics and Astronomical Institute of AS CR in collaboration with foreign institutes currently operates a pair of these telescopes at the Ondrejov Observatory. Stereoscopic observation of the atmospheric showers will allow for a reconstruction of the physical properties of the primary gamma-ray photons with much better precision than if the telescopes were operated independently. The thesis will investigate stereoscopic reconstruction, aiming at the determination of sensitivity, and angular and energy resolution of the telescope pair.

Large Field-Of-View of the SST-1M telescopes allows observing extended galactic gamma-ray sources, such as the relatively recently established class of the so-called TeV halo objects. In TeV halos, the high-energy gamma-ray emission is due to Inverse Compton scattering of relativistic electrons accelerated by a pulsar, freely escaping into the interstellar medium (ISM) after the pulsar leaves the Pulsar Wind Nebula. Observations of the TeV halos can be therefore used as a unique probe of the propagation of relativistic particles in the ISM. The thesis will aim to characterize the performance of the SST-1M telescopes for the detection and morphological studies of these objects.

Literatura / Reference:

[1] (Jurysek et al 2019) https://arxiv.org/pdf/1907.08061.pdf

[2] (Bose et al 2022) https://arxiv.org/pdf/2201.06789.pdf

[3] (Caraveo 2020) https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s40766-020-00006-3.pdf

[4] (Lopez-Coto et al 2021) https://arxiv.org/pdf/2202.06899.pdf

• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Broz, Ph.D.
• Title English: LHC experiment ATLAS Open Data

Abstrakt / Abstract:

Na největším současném urychlovači LHC nabírají data 4 velké komplexní detektory. Každý z těchto experimentů produkuje velké množství dat (desítky PB ročně) v různých formátech. Části těchto dat v redukovaném formátu jsou k dispozici všem zájemcům přes portál otevřených dat. Experiment ATLAS publikoval poslední data v roce 2020 ze srážek nabraných při Run2. Současně byly připraveny některé nástroje pro práci s daty a příklady analýz, a to v prostředí virtuálních strojů nebo přes webové rozhraní. Tyto nástroje je nutné rozšířit na modernější a pro uživatele snadnější použití v kontejnerech. Cílem práce je připravit část dat do vhodného formátu pro Open Data z další etapy nabírání dat, která započala v červenci 2022 (Run3). To zahrnuje testování vhodného formátu dat a zopakování vybrané analýzy na tomto formátu.

Literatura / Literature:

[1] The ATLAS collaboration: Review of the 13 TeV ATLAS Open Data release, https://cds.cern.ch/record/2707171/files/ANA-OTRC-2019-01-PUB-updated.pdf.

[2] ATLAS Open Data – a genuinely collaborative approach for the creation of educational resources, https://cds.cern.ch/record/2783039/files/ATL-OREACH-PROC-2021-001.pdf a odkazy v těchto pracích.

• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.
• Název anglicky / Title English: A study of modified hadronic interactions and their effect on UHECR observables

Abstrakt / Abstract:

Pozemská atmosféra je neustále bombardována nabitými částicemi o energiích dalece převyčujících energie dosažitelné na stávající generaci urychlovačů. Interakce těchto částic následně vytvářejí extenzivní atmosférické spršky, které je možné detekovat na obřích polích povrchových detektorů, např. na Observatoři Pierra Augera v Argentině. Tento a podobné experimenty se při studiu fyzikálních vlastností spršek kosmického záření řídí předpověďmi modelů hadronických interakcí na nejvyšších energiích. Žádný z těchto modelů ale nezvládá správně popsat počet pozorovaných mionů na zemském povrchu - relativní rozdíl je v desítkách procent a nyní už se jedná o fakt potvrzený současnou i minulou generací astročásticových experimentů. Cestou z této tenze by byla změna modelů hadronických interakcí tak, aby předpovídaly výrazně větší počet mionů dopadajících na zemský povrch. Takový zásah je ovšem silně netriviální, protože se mimojiné zároveň musí zachovat předpovědi pro ostatní pozorovatelné, které jsou aktuálně v dobrém souladu s exerimentem. Za účelem průzkumu přípustných modifikací byla na fyzikálním ústavu vytvořena rozsáhlá knihovna Monte-Carlo simulací spršek s ad-hoc modifikovanými vlastnostmi hadronických interakcí. Student/ka by se seznámil/a se základní fenomenologií spršek kosmického záření na nejvyšších energiích, naučil/a by se zpracovat velký objem nasimulovaných dat a extrahovat z nich relevantní proměnné a v závěru by se některé z nich pokusil/a porovnat s publikovanými výsledky existujících astročásticových experimentů.

Literatura / Literature:

[1] J. Mathews, "A Heitler model of extensive air showers", Astropart. Phys. 22 (2005) 387.

[2] R. Ulrich, R. Engel, and M. Unger. Hadronic Multiparticle Production at Ultra-High Energies and Extensive Air Showers. Phys. Rev. D , 83:054026, 2011.

[3] D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univ. Press, 2009, ISBN10: 0199545464/0-19-954546-4.

• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.

Abstrakt / Abstract:

Observatoř Pierra Augera je největším detektorem na světě pro měření kosmického záření s velmi vysokou energií. Detektory rozprostřené na ploše 3000 km2 zaznamenávají spršky elementárních částic vzniklých interakcí kosmického záření v atmosféře již od roku 2004. Data jsou postupně zveřejňována s cílem využít je pro vědeckou analýzu, výuku a popularizaci. Na podzim roku 2022 je plánováno další uvolnění dat. Úkolem je prozkoumat možné způsoby zpracování těchto dat, připravit vhodné prostředí a nástroje pro analýzu a porovnat tyto možnosti se stávajícím řešením založeným na Jupyter notebook a platformě Kaggle. Práce dále bude zkoumat možnosti ukládání těchto dat do vznikající Národní repozitářové platformy v rámci projektů European Open Science Grid (EOSC-CZ). 

Literatura / Literature:

[1] The Pierre Auger Collaboration, "The Pierre Auger Observatory and its Upgrade", Science Reviews - from the end of the world (Argentina) Vol. 1, No. 4, September 2020, pp. 8-33, http://scirevfew.net/index.php/sciencereviews/article/view/31/18.

[2] Pierre Auger Observatory 2021 Open Data, https://doi.org/10.5281/zenodo.5588460.

• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.

Abstrakt / Abstract:

Posledních pár let intenzivní práce experimentů měřících kosmické záření, jako je Observatoř Pierra Augera a projekt HiRes, přineslo nečekané a protichůdné výsledky týkající se složení kosmického záření extrémních energií. Na toto složení usuzujeme z parametrů atmosférických  spršek vyvolaných interakcí primární částice s jádrem atmosferického plynu a naše interpretace jsou tak závislé na modelových představách o jaderných interakcích. Zatímco z dat Observatoře Pierra Augera se zdá, že tomuto záření dominují středně těžká až těžká jádra, datům experimentu HiRes naopak lépe odpovídají spršky iniciované lehkými jádry (vodík, helium). Student rozebere výsledky jednotlivých experimentů, porovná je mezi sebou. V samostatné práci student vybere parametry spršek citlivé na kosmické záření a na základě simulací ukáže, do jaké míry je možné lehká a těžká jádra od sebe v datech experimentů oddělit. Na souboru parametrů citlivých na složení vyhledá algoritmus s nejlepší diskriminační schopností.

Literatura / Literature:

[1] Perkins D., Particle Astrophysics, Oxford Univ. Press, 2009, ISBN10: 0199545464/0-19-954546-4.

[2] Abbasi, R. U., Abu-Zayyad, T. et al., "Indications of Proton-Dominated Cosmic Ray Composition above 1.6 EeV", Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 161101.

[3] Abreu P., "Measurement of the Depth of Maximum of Extensive Air Showers above 10^18 eV", Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 091101.

• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.

Abstrakt / Abstract:

Kosmické záření dopadající do zemské atmosféry dosahuje energií daleko převyšující možnosti pozemských urychlovačů. Při interakcích nalétávajících vysokoenergetických jader kosmického záření s atomovými jádry atmosférických plynů vzniká podobně jako je tomu v hadronových kalorimetrech na urychlovačových experimentech rozsáhlá sprška sekundárních částic tvořená z elektronů, pozitronů, fotonů, mionů a hadronů. V datech zaznamenaných Observatoří Piera Augera pozorujeme mnohem více mionů, než-li nám předpovídají Monte Carlo simulace. Cílem bakalářské práce je na datech Observatoře Pierra Augera a za použití Monte Carlo simulací tento fakt demonstrovat a porovnat modely jádro-jaderných interakcí mezi sebou z hlediska počtu produkovaných mionů ve sprškách kosmického záření ultra-vysokých energií.

Literatura / Literature:

[1] J. Mathews, "A Heitler model of extensive air showers", Astropart. Phys. 22 (2005) 387.

[2] A. De Angelis, M. Pimenta, “Introduction to Particle and Astroparticle Physics“, Second Edition, Springer, 2018.

[3] T. Bergmann et al., "One-dimensional Hybrid Approach to Extensive Air Shower Simulation", Astropart. Phys. 26 (2007) 420.

• Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.

Název anglicky / Title English: Study of the mass composition and hadronic interactions of the ultra-high-energy cosmic rays using hybrid data of the Pierre Auger Observatory

Abstrakt / Abstract

Cosmic rays are energetic particles (atomic nuclei) impinging upon the Earth from the vast reaches of the cosmos. They can have tremendous energies and thus must originate in remarkable but still mysterious astrophysical sources. If we understand the nature of these particles, we may be able to find the extragalactic sources of the highest energy cosmic rays. When an ultra-high-energy cosmic ray hits the atmosphere it produces billions of secondary particles that on their way cause an emission of the fluorescence light by the nitrogen molecules. Many of the secondary particles reach the ground and there their spatial and temporal distributions can be measured with particle detectors of different types. The Pierre Auger Observatory, the largest ever existed cosmic ray experiment, is a hybrid detector where fluorescence radiation is detected with the help of a system of dedicated telescopes, and the distribution of particles at ground is sampled using water-Cherenkov stations. The information from both types of detectors can be used to estimate the mass of the primary nucleus that initiated the particle cascade. Recently, the Auger Collaboration published results on the mass composition of cosmic rays obtained with a novel method where the correlation between information from both detectors is used to make a robust prediction on the spread of the masses in the primary cosmic ray beam. These results for the first time provided a reliable evidence on the presence of several different components in the primary radiation and helped to constrain astrophysical scenarios predicting a presence of a single component only. Nevertheless, the full potential of this method is yet to explore. First it should be extended to a wider range of energies helping this way to guide the astrophysical models that try to link the observed features of the cosmic rays to their characteristics at the possible production and acceleration sites. Second, study of fine details of the physics behind the observed correlation between different observables, might help in understanding of the drawbacks of the hadronic interaction models used for the modeling of particle cascades at energies beyond the reach of the largest man-made particle accelerators.

Literatura / reference:

[1] Lu Lu and Alan Watson, High energy cosmic rays, http://www.scholarpedia.org/article/High_energy_cosmic_rays

[2] https://www.auger.org/index.php/news/latest-news/evidence-for-a-mixed-mass-composition-at-the-ankle-in-the-cosmic-ray-spectrum

[3] A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration), Phys.Lett. B762 (2016) 288-295

[4] www.auger.org

[5] A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration), NIM A 798 (2015) 172-213

Název anglicky / Title English: Electromagnetic processes at STAR experiment

Osnova / Outline:
Colliding heavy ion beams offer a wide variety of opportunities to probe elemental electromagnetic interactions of photons on another photons or on nuclei. The interactions take place at ultimate energies under a well defined experimental conditions.

The thesis will involve contribution to analysis of ultra-peripheral collisions, the means to achieve the experimental conditions for electromagnetic interactions. Emphasis is given to photonuclear
reactions, studied in coordination with dedicated working group within STAR experiment.

Plán práce:
Říjen/Listopad: General introduction to STAR experiment and data analysis
Listopad/Prosinec: Introduction to specific analysis tools, reproduction of several basic results
Prosinec/Leden: Writing down first parts of the thesis, talk at the winter workshop
Únor/Duben: Running the analysis, evaluating physics impact of the results
Duben/Květen: Writing down the thesis

Literatura / reference:
[1] S. Klein, J. Nystrand: Ultraperipheral nuclear collisions, 
Phys.Today 70 (2017) 10, 40-47
[2] J.G. Contreras, J.D. Tapia Takaki: Ultra-peripheral heavy-ion 
collisions at the LHC,
Int.J.Mod.Phys.A 30 (2015) 1542012
[3] J. Adam: Coherent J/psi photoproduction in ultra-peripheral 
collisions at STAR, PoS DIS2019 (2019) 042

Název anglicky / Title English: Luminosity measurement at the Electron Ion Collider

Osnova / Outline:

Tasks for the Electron Ion Collider (EIC), now in its design phase include questions on properties of electromagnetic and nuclear forces and on 
internal structure of protons and nuclei [1].

Of utmost importance to most of the EIC measurements is precise knowledge of luminosity delivered by the accelerator to the detector [2].

Main focus of the thesis is contribution to detector simulation studies [3] related to the mechanism for luminosity measurement in participation with dedicated working group within the EIC project, and potential further development of the measurement design.

Plán práce:
Říjen/Listopad: General introduction to the EIC project and detector simulations
Listopad/Prosinec: Introduction to simulation tools, reproduction of several basic results
Prosinec/Leden: Writing down first parts of the thesis, talk at the winter workshop
Únor/Duben: Performing the relevant detector simulations, evaluation and potential development
Duben/Květen: Writing down the thesis

Literatura / reference:

[1] R. Abdul Khalek et al.: Science Requirements and Detector Concepts 
for the Electron-Ion Collider: EIC Yellow Report,
BNL-220990-2021-FORE, arXiv:2103.05419
[2] J. Adam: GETaLM: A generator for electron tagger and luminosity 
monitor for electron - proton and ion collisions,
Comput.Phys.Commun. 272 (2022) 108251, arXiv:2105.10570
[3] C. Grupen, B. Shwartz, Particle detectors, Cambridge University 
Press, 2011