Monday, 20 Feb 2017

Thesis and research project topics

E-mail Print

Updated 22.9.2015

Topics on Physics for M.Sc. students - Aiheita maisterivaiheen opiskelijoille

Topics on Physics for B.Sc. students - Aiheita kandivaiheen opiskelijoille

Topics on Physics Physics education - Fysiikan opetukseen liittyviä aiheita

 


 

Topics for M.Sc. students - Aiheita maisterivaiheen opiskelijoille

Simulations, detector testing, and data analysis for the multi-muon experiment EMMA and preparations for a neutrino experiment.

We invite you to complete your M.Sc. thesis with our group. There is a wide variety of topics ranging from simulations to purely experimental tasks requiring frequent visits to the Pyhäsami mine and to our surface laboratory there. The exact topic and the balance of duties will be discussed and agreed with each candidate individually. Here are some of the needed research tasks for EMMA and C-14 experiments:

1. Detection of Moon- and Sun shadow with EMMA

Celestial bodies block the path of cosmic-ray particles. Observation of the shadows of the Moon and of the Sun is the ultimate test of angular resolution of the tracking station of any CR experiment. The northern location of Pyhäsalmi makes this task very challenging, as the celestial equator is never high above the horizon. At the oblique angles the effective overburden and the corresponding cutoff energy increase quickly reducing the number of observed events. The goal of the work is to estimate the necessary exposure needed to detect the shadows with EMMA.

1. Kuun ja auringon aiheuttamien varjojen havaitseminen EMMA:lla

Kosmiset säteet eivät pääse taivaankappaleiden läpi. Näiden taivaankappaleiden varjojen mittaamista pidetään lopullisena vahvistuksena kosmisia säteitä mittaavien kokeiden kulmatarkkuudelle. Pyhäsalmen pohjoinen sijainti tekee kulmamittauksista hankalaa, sillä Aurinko ja Kuu pysyvät hyvin matalalla. Pienillä kulmilla on enemmän maata välissä, joka kasvattaa havainnon minimienergiaa ja vähentää siten havaittavien tapahtumien määrää. Työn tavoitteena on arvioida tarvittava aika varjojen mittaamiselle.

2. Energy dependence of EMMA’s reconstruction efficiency

EMMA detectors register the direction and lateral distribution of muon showers at the depth of about 75 m. With the reconstruction software we deduce the mass and energy of the initial cosmic-ray particle. The goal of this work will be to study reconstruction efficiency as a function of energy.

2. EMMA:n rekonstruktiotehokkuuden energiariippuvuus

EMMA mittaa ilmasuihkussa syntyneiden korkea energisten myonien suuntaa ja jakaumaa noin 75 metrin syvyydessä. Rekonstruktio-ohjelma päättelee alkuperäisen kosmisen hiukkasen massan ja energian. Työn tavoitteena on tutkia rekonstruktion tehokkuutta suhteessa alkuperäisen hiukkasen energiaan.

3. Barometric compensation for EMMA detectors

Gas detectors are sensitive to the changes in pressure. The operational pressure inside of the muon chambers used by EMMA is directly coupled to the ambient air pressure making them susceptible to weather induced barometric changes. The task would be to monitor chamber’s efficiency as a function of pressure and temperature, determine the impact on the data analysis and, if needed, devised ways to compensate for it.

3. Ilmanpainekorjaukset EMMA-ilmaisimille

Kaasutäytteiset ilmaisimet ovat herkkiä paineen vaihtelulle. EMMA-kokeessa myonikammioiden sisäinen paine on suoraan verrannollien ulkoiseen ilmanpaineeseen, joten sään vaihtelu vaikuttaa ilmaisimen toimintaan. Työssä seurataan ilmaisimien tehokkuuden käyttäytymistä paineen ja lämpötilan mukaan ja selvitetään sään vaikutusta mittaustuloksiin sekä, mikäli tarpeen, etsitään tapaa tasapainottaa sään aiheuttamat vaikutukset.

4. Optimization of a Cherenkov detector design for the EMMA –experiment

In order to separate muons and electrons from each other a prototype Cherenkov detector is being designed. The separation is of these two are done through the number of photons each particle produced within the detector volume. Your task is to test through simulations several configuration of the Cherenkov detectors to find the optimal design to be build and implemented into the EMMA -experiment

4. EMMA-kokeen Cherenkov-ilmaisimenrakenteen optimointi

Cherenkov-ilmaisimen prototyypin avulla olisi tarkoitus erottaa toisistaan myonin ja elektronin jättämät radat. Ideaalisen ilmaisimen suunnittelua varten on tarpeellista tutkia erilaisia valo-ohjainten ja valokeräinten sijoitusvaihtoehtoja. Tehtäväsi liittyisi eri ilmaisinmallien simulointiin sekä valitun mallin sisällyttämiseen EMMA-kokeeseen

5.Optimization of the scintillator detector setup layout for EMMA- experiment

Nanosecond timing capable scintillators are being used in the EMMA- experiment to give information about the high muon multiplicity events and to give preliminary arrival direction. Your task is to through simulations find the optimal scintillator layout for this purpose.

5. EMMA-kokeessa käytettävien tuikeilmaisimien sijainnin optimointi

Yhtenä EMMA-kokeen ilmaisintyypeistä käytetään nanosekunti aikaresoluutioon kykeneviä tuikeilmaisimia. Näiden avulla saadaan tietoa suurista myonimultiplisiteeteista sekä saadaan alustava suunta kosmisen säteen synnyttämälle ilmakuurolle. Tehtävänäsi simulaatioiden avulla määrittää EMMA-kokeen kannalta optimaalisin tuikeilmaisinten sijoituskuvia.

6. Optimization of a surface detector array for EMMA –experiment

To have better accuracy for determining the shower core of cosmic ray induced extensive air showers a surface detector array would be an ideal addition to EMMA-experiment. Your task is to compare through simulation a grid based or autonomous 3-5 dectector unit based options. You also have determine the optimal physical layouts for both.

6. EMMA-kokeen pintailmaisimen optimointi

EMMA-kokeen mittaustuloksen tarkkuus on riippuvainen syntyneen hiukkaskuuron keskustan löytämisestä. Mitä tarkemmin hiukkaskuuron keskusta tunnetaan sitä tarkemmin voidaan alkuperäisen kosmisen hiukkasen energia ja massa määrittää. Tehtävänäsi olisi tutkia ja verrata ilmaisinverkoston sekä yksittäiste 3-5 ilmaisimen kokoonpanojen tuomaa lisätarkkuutta mittauksiin. Lisäksi tehtävänäsi olisi löytää optimaalinen fyysisesti mahdollinen sijainti molemmilla versiolle.

 

7. Impact of QGSJET II-04 and EPOS LHC on EMMA reconstruction

The recent results from LHC have improved our knowledge and accuracy of the interaction cross sections at the high end of the cosmic ray energy spectra. The latest simulation packages already incorporate the new data. The modifications are sufficiently significant to change the predictions at high muon multiplicities. This in turn indicates a possibility to explain the origin and nature of the very high multiplicity events known as muon bundles. The work would asses the changes in the simulations for the muon spectra above the 50 GeV cutoff energy and compare them with EMMA results.

7. QSJET II-04:n ja EPOS LHC:n vaikutukset EMMA-kokeen tuloksiin

LHC:stä saadut tulokset ovat antaneet lisätietoa korkeaenergisistä vuorovaikutuksista, varsinkin vuorovaikutuspinta-alasta. Uusimmat simulaatiotyökalut kosmisten säteiden simuloinnissa ovat ottaneet nämä tulokset huomioon. Nämä muutokset vaikuttavat muun muassa myonien multiplisiteetti -ennustuksiin. Uudet multiplisiteettiennustukset selittävät miksi kokeissa on havaittu erittäin suuren multiplisiteetin tapahtumia, joita kutsutaan myonikasoiksi. Työssä tutkitaan uusien simulaatiotyökalujen vaikutusta yli 50 GeV:n energisten myonien jakaumaan ilmasuihkuissa ja verrataan tuloksia EMMA:lle tehtyihin ennustuksiin vanhoilla työkaluilla.

8. Modeling of EAS – extensive air showers

Interactions of high-energy cosmic particles with the molecules in the upper layers of the atmosphere give birth to extensive air showers. There are competing models simulating this process. The first step would be to compare the outputs of these programs, in particular the differences in muon energy and density distributions, and determine if they are sufficiently large to be detected. Next the outcome will be compared with the data collected by EMMA and obtained during cosmic-ray runs with ALICE at the Cern LHC.

8. Ilmasuihkujen mallintaminen

Kun korkeaenerginen kosminen hiukkanen osuu yläilmakehän molekyyliin ilmasuihku alkaa muodostumaan. Ilmasuihkussa syntyy suuri määrä korkeaenergisiä hiukkasia, joiden lukumäärää voidaan ennustaa useilla eri ohjelmilla. Tämän työn ensimmäinen vaihe olisi eri ohjelmien tuottamien tulosten vertailu, varsinkin korkeaenergisten myonien energia- ja tiheysjakaumien perusteella. Tavoitteena olisi tutkia onko mahdollista mittauksilla erottaa malleja toisistaan. Lopuksi tuloksia verrataan EMMA:n ja ALICE:n kosmisten säteiden mittauksiin.

 

Back up - Takaisin ylös

 

 

Topics on Physics for B.Sc. students - aiheita kandivaiheen opiskelijoille

1. Background measurements

When working with low background measurements it is important to know the background sources. In these measurements you will concentrate on background caused by alfa emitting isotopes. You task is to carry out the needed measurements according to a measurement plan and document the measurements and error sources.

1. Cosmic rays and their origins

What are cosmic rays, where do they come from and they affect our life. Your task is to explain the Cosmic ray phenomena and get familiar with some of the cosmic ray experiments.

 

2. Background sources in underground physics experiments

There are around twenty underground physics laboratories in the world. One of them is located in Pyhäjärvi, Finland. Through literature review your task is to identify the most common background sources for underground physics experiments and explain how they interfere with the measurements. You should also have a look on the background reduction.

3. Detection of Dark matter

The materia from which our visible universe is made of counts only for five percentages of the mass observed. The remaining mass is divided into dark energy (65 %) and dark matter (30%). Through literature review you should introduce different approaches used for detecting dark matter.

4. Detectors of cosmic ray research

Cosmic ray research uses various detector technologies from surface and underground detector arrays to satellite based detectors. Through literature review your task is to introduce most typical detector types used in cosmic ray research and evaluate the pros and cons of the detectors.

 

Back up - Takaisin ylös

 

 

Topics on the Physics education - Aiheita fysiikan opetukseen liittyen

1. Modernin fysiikan opetuksen haasteita

Modernin fysiikan voidaan ajatella syntyneen 1800- luvun loppupuolella säteilyn ja radioaktiivisuuden löydyttyä. Opetuksellisesti moderni fysiikka sisältää paljon jopa abstrakteiksikin miellettäviä aihekokonaisuuksia. Tehtävänä olisi tutkia miten aineenopettajat kokevat modernin fysiikan opettamisen ja minkälaisia haasteita he kohtaavat kurssin sisällön kanssa.

2. Tulevien aineenopettajien odotuksia modernin fysiikan opettamisesta

Mitä ajatuksia modernin fysiikan opettaminen tulevissa aineenopettajissa herättää? Kokevatko he olevansa valmiita kokonaisuuden opettamiseen? Millaista tukea he odottavat saavansa tulevalta työpaikaltaan tehtävästään suoriutumiseen?

3. Atomi- ja alkeishiukkastason ilmiöiden hahmottaminen eri luokka-asteilla

Yläkouluun siirryttäessä OPSin mukaisesti fysiikan sisällöt kehittyvät abstraktimpaan suuntaan. Tehtävänä olisi tutkia, miten eri luokka-asteilla olevat oppilasryhmät hahmottavat atomi ja alkeishiukkastason sekä sen ilmiöitä.

4. Sumukammio säteily- ja hiukkasfysiikan opetuksen tukena

Sumukammio oli hiukkastutkimuksen tärkein työväline 1930 -1950 –luvuilla. Sumukammio on noussut uudelleen esiin tällä kertaa hiukkas- ja säteilyfysiikan demonstraatiolaitteena. Tehtävänäsi olisi tutkia miten sumukammion käyttäminen demonstraatio- tai oppilastyövälineenä vaikuttaa säteily- ja hiukkasfysiikan ilmiöiden oppimiseen.

5. Tutkimuskeskusvierailujen esitehtävämateriaalin kehittäminen

Pyhäsalmen maanalaisen fysiikan tutkimuskeskuksessa (CUPP) vierailee vuosittain oppilasryhmiä lähialueiden yläkouluista ja lukioista. Vierailujen aikaiset työpajat sisältävät toiminnallisia jaksoja, missä oppilailla on mahdollisuus tehdä omia hiukkashavaintoja. Vierailujen tukemiseksi on tarve kehittää etukäteismateriaaleja, joiden avulla oppilaat voivat itsenäisesti tai opettajajohtoisesti perehtyä hiukkasten ihmeelliseen maailmaan.

 

Back up - Takaisin ylös

 

Site navigator