Pokročilé metody rekonstrukce snímků z dalekohledu LST-1

  • Vedoucí práce / Supervisor: Ing. Mgr. Jakub Juryšek, Ph.D.
  • Pracoviště / Workplace: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
  • Kontakt / Contact: jurysek@fzu.cz
  • Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.
  • Title English: Advanced methods of image reconstruction for the LST-1 telescope

Abstrakt

Právě budovaná pozemní gama observatoř Čerenkov Telescope Array (CTA) bude citlivá na kosmické fotony velmi vysokých energií od 20 GeV do 300 TeV. V tomto energetickém rozsahu CTA řádově překoná citlivost a úhlové rozlišení všech dosavadních pozemních gama observatoří, a bude poskytovat přesná data, díky kterým bude například možné zodpovědět otázky původu kosmického záření vysokých energií, či povahu temné hmoty. Observatoř bude sestávat z několika desítek teleskopů vybudovaných ve dvou lokalitách na Zemi pro dosažení celooblohového pokrytí. Prototyp prvního velkého teleskopu pro CTA, LST-1, byl v roce 2018 vybudován na ostrově La Palma a od té doby je ve zkušebním provozu a nabírá první data. Čerenkovské dalekohledy využívají nepřímou metodu detekce gama fotonů, pro které je zemská atmosféra neprůhledná, a pozorují čerenkovské záření spršek sekundárních částic vznikajících po interakci primárního gama fotonu s jádry atomů v atmosféře. Rekonstrukce vlastností primárních gama fotonů ze snímků spršky sekundárních částic je velmi specifická, a vyžaduje přesné Monte Carlo simulace zahrnující modely částicových interakcí, atmosféry a samotného detektoru.

Práce se bude zabývat metodami rekonstrukce snímků spršek s využitím moderních metod strojového učení, konkrétně konvolučních neuronových sítí. Cílem práce bude charakterizovat přesnost takovéto rekonstrukce a její srovnání s klasickými metodami, zejména pro klasifikaci primárních částic.

Abstract

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will be the next generation ground-based very-high-energy gamma-ray observatory, sensitive from 20 GeV up to 300 TeV. In this energy range, the overall sensitivity of CTA and its angular resolution will significantly exceed the performance of all existing ground-based gamma observatories. Unprecedented precise data provided by CTA will shed light on the origin of high-energy cosmic rays, or the nature of dark matter. CTA will consist of several dozens of telescopes built on two sites selected to cover the entire sky. The Large-Sized Telescope prototype (LST-1) was inaugurated in October 2018 in La Palma (Spain) and it is currently in the commissioning phase. Cherenkov telescopes in general detect the cosmic gamma rays (which cannot penetrate the Earth's atmosphere) indirectly by observation of Cherenkov radiation of secondary shower particles, resulting from the interaction of the primary cosmic gamma-ray photon with atomic nuclei in the atmosphere. Reconstruction of properties of the primary gamma-ray photon requires precise Monte Carlo simulations including particle interaction models, models of the atmosphere, and models of the telescope itself.

The thesis will investigate advanced modern methods of shower reconstruction using convolutional neural networks. The thesis aims to characterize the performance of such reconstruction and its comparison with standard reconstruction methods, particularly for the classification of primary particles.

Literatura / reference:

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

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

[3] (Jurysek et al 2021) https://arxiv.org/pdf/2111.14478.pdf

[4] (Jacquemont et al 2021) https://arxiv.org/pdf/2105.14927.pdf

[5] (Nieto et al 2019) https://arxiv.org/pdf/1912.09898.pdf

Analýza dat čerenkovských dalakohledů SST-1M

  • Vedoucí práce / Supervisor: Ing. Mgr. Jakub Juryšek, Ph.D.
  • Pracoviště / Workplace: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
  • Kontakt / Contact: jurysek@fzu.cz
  • 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

Otevřená data z LHC experimentu ATLAS

  • Vedoucí práce / Supervisor: RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D.
  • Pracoviště / Workplace: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
  • Kontakt / Contact: chudoba@fzu.cz
  • 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.

Studium modifikovaných hadronických interakcí a jejich efektu na pozorovatelné vlastnosti spršek kosmického záření

  • Vedoucí práce / Supervisor: Mgr. Jiří Blažek
  • Pracoviště / Workplace: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
  • Kontakt / Contact: blazekj@fzu.cz
  • 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.

 

Otevřená data z Observatoře Pierra Augera

  • Vedoucí práce / Supervisor: RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D.
  • Pracoviště / Workplace: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
  • Kontakt / Contact: chudoba@fzu.cz
  • 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.