El CIEMAT construyó más del 25% de las cámaras de tubos de deriva del espectrómetro de muones del experimento CMS en el LHC. Utilizando la misma tecnología se fabricaron cuatro unidades de detección a escala reducida que componen un sistema portátil de detección de muones cósmicos. Este telescopio de muones podrá ser utilizado para numerosas aplicaciones, como estudios de la radiación cósmica, banco de pruebas para la electrónica de futuras actualizaciones de CMS, radiografía de muones etc. En el trabajo propuesto el/la alumno/a participará, por un lado en el desarrollo del detector, su sistema de pruebas, sistema de adquisición de datos y software de análisis, permitiéndole así conocer de cerca la cadena completa de funcionamiento de un experimento de altas energías. Por otro lado realizará estudios de rendimiento de las cámaras de tubos de deriva y estimaciones preliminares del dispositivo experimental como posible sistema para realizar radiografías muónicas. 

Supervisor: Dr. Jesús Puerta Pelayo (CIEMAT) (jesus.puerta@ciemat.es)

La detección directa de la materia oscura es uno de los desafíos de la física actual y su descubrimiento supondría un avance tremendo en el conocimiento tanto de los ingredientes fundamentales del universo como en el papel que jugó durante la evolución temprana de éste. El grupo del CIEMAT de Materia Oscura (CIEMAT-DM) tiene una large experiencia en este campo, en particular en el diseño, construcción, operación y análisis de datos de experimentos basados en detectores de Ar líquido. Actualmente participamos en los experimentos ArDM (LSC, Canfranc, España) y DEAP-3600 (SNOLAB; Canadá). Para superar los límites experimentales actuales en la detecciñon de partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs) se requiere una nueva generación de detectores de gran masa. El detector de Ar líquido más grande para la detección directa de materia oscura será DarkSide-20k. Tendrá 20 toneladas de material activo en su volumen fiducial, y una sensibilidad sin precedentes a las señales potenciales de WIMPs. El detector se instalará subterráneamente, en el Gran Sasso National Laboratory (Italia) y empezará a tomar datos en 2022. En este proyecto es esencial conocer la pureza de los materiales desde el punto de vista de la radioactividad natural y la habilidad para distinguir señal de procesos de fondo. Los objetivos del TFM pueden adaptarse a los intereses del/a estudiante, centrándose en análisis de radio-pureza de materiales y/o en simulaciones Monte Carlo necesarias para estimar la contribución de los procesos de fondo del experimento. Las tareas propuestas conllevan un aprendizaje intenso de física de partículas, nuclear y de detectores, y suponen una experiencia excelente para enfrentarse a un doctorado posterior en física de partículas o astrofísica.    

Supervisores: Dr. Roberto Santorelli (CIEMAT) ( Roberto.Santorelli@ciemat.es ), Dr. Luciano Romero (CIEMAT) ( Luciano.Romero@ciemat.es )

La naturaleza de la materia oscura es considerada una de las cuestiones abiertas de la física moderna. Muchas observaciones experimentales sugieren que menos del 15% del contenido en materia de nuestro universo está formado por “materia ordinaria”, mientras que la mayor parte consiste en materia no-luminosa y no-bariónica, que se manifiesta únicamente a través de efectos gravitatorios. Una explicación posible a esta cuestión pasa por asumir la existencia de unas partículas masivas y débilmente interactuantes, llamadas WIMPs, que serían reliquias del Big Bang. Hay diversos proyectos experimentales, llevados a cabo en laboratorios subterráneos, que buscan señales diminutas provenientes de las interacciones de WIMPs. Uno de ellos es el experimento DEAP-3600, que contiene 3600 kg de Ar líquido y está situado en el laboratorio SNOLAB (Canada). El grupo del CIEMAT-DM participa en la adquisición de los datos y en su análisis, y desarrolla técnicas avanzadas de análisis para optimizar la sensibilidad a la detección de señales de WIMPs, y que a su vez reducen significativamente la contribución de procesos de fondo. Por otro lado, nuestro grupo participa en el experimento ArDM/DART, instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, bajo los Pirineos, cuyo objetivo es medir la contaminación de radio nucleidos en Ar radio-puro, que es uno de los parámetros más importantes para definir la sensibilidad del experimento a la detección de WIMPs. El propósito de este TFM es contribuir al análisis de los datos que se están tomando en DEAP-3600 y ArDM/DART, y verificar las prestaciones de los detectores de Ar líquido y su capacidad de distinguir sucesos de señal de los de fondo. Las tareas propuestas conllevan un aprendizaje intenso de física de partículas, nuclear y de detectores, y suponen una experiencia excelente para enfrentarse a un doctorado posterior en física de partículas o astrofísica.   

Supervisores: Dr. Vicente Pesudo (CIEMAT) ( Vicente.Pesudo@ciemat.es ), Dr. Pablo García-Abia (CIEMAT) ( Pablo.Garcia@ciemat.es )

Las masas de los neutrinos y su enorme diferencia con el resto de las partículas elementales constituyen la más fuerte sugerencia de la existencia de Física Más Allá del Modelo Estándar. El experimento SBND, una cámara de proyección temporal de argón líquido situada a tan sólo 110 m del origen del haz de neutrinos Booster Neutrino Beam (BNB) en Fermilab (Illinois, EEUU), tiene entre sus objetivos la búsqueda de Nueva Física. En este Trabajo de Fin de Master se estudiará la sensibilidad de SBND a diferentes extensiones del Modelo Estándar.

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

La producción simultánea de dos bosones de Higgs ofrece la posibilidad de estudiar un parámetro fundamental del modelo estándar, el llamado ‘auto-acoplo’, que describe cómo el bosón de Higgs interacciona consigo mismo. El canal HH->bbtautau es uno de los más prometedores para estos estudios, ya que es un canal relativamente abundante y fácil de identificar. Este canal se ha estudiado ya en el experimento CMS del LHC, pero hasta el momento no ha podido ser observado con 5 sigmas de significancia.

El trabajo de TFM se centrará en implementar mejoras al análisis que se espera permitan aumentar su sensibilidad de forma sustancial.  En particular se puede estudiar el uso de nuevas lógicas de selección de sucesos (trigger) que permitan identificar y grabar los sucesos interesantes de forma más eficaz, o el efecto de usar nuevos algoritmos basados en inteligencia artificial (machine learning, ML) para poder discriminar la señal de HH frente a otros procesos del modelo estándar con topología similar

Supervisoras: Dra. Silvia Goy (CIEMAT) ( Silvia.Goy.Lopez@cern.ch ), Dra. María Cepeda (CIEMAT) ( Maria.cepeda@cern.ch )

El experimento DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) es una poderosa herramienta para realizar búsquedas de física de baja energía. DUNE será especialmente sensible a los neutrinos electrónicos provenientes de la explosión de una supernova de colapso del núcleo. La detección de neutrinos procedentes de una supernova aportará información sobre la propia supernova, pero también sobre la naturaleza de los neutrinos. Se llevarán a cabo estudios del potencial de DUNE para diferentes modelos de supernova con el fin de evaluar la sensibilidad de DUNE para proporcionar información sobre la explosión de la supernova de colapso del núcleo o de la física de los neutrinos.

Supervisora: Dra. Clara Cuesta (CIEMAT) ( Clara.Cuesta@ciemat.es )

Las incógnitas abiertas en física de neutrinos exigen enormes detectores (>kton), de gran

resolución energética y que permitan identificar las partículas resultantes con precisión. Un detector con estas características basado en un diseño simple y no muy costoso supondría un avance enorme en este campo. 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. 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.

Supervisora: Dra. Carmen Palomares (CIEMAT) (mc.palomares@ciemat.es)

Los constituyentes de la materia oscura podrían interaccionar con el Modelo Estándar a través de los bosones gauge de una simetría U(1) espontáneamente rota, los denominados fotones oscuros, que podrían producirse en gran cantidad como producto de la aniquilación de materia oscura capturada gravitacionalmente en el Sol. Estos fotones oscuros escaparían del Sol y decaerían en pares de partículas cargadas del Modelo Estándar que pueden ser detectadas mediante experimentos de rayos cósmicos espaciales. En este trabajo se investigará la sensibilidad para la detección de dichas señales tanto de los experimentos actuales (AMS-02, DAMPE, CALET) como de los instrumentos de próxima generación (HERD, ALADInO, AMS-100).

Supervisores: Dr. Miguel Angel Velasco (CIEMAT) ( MiguelAngel.Velasco@ciemat.es ), Dr. Jorge Casaus (CIEMAT) ( Jorge.Casaus@ciemat.es )

La monitorización continua del cielo mediante rayos gamma de alta energía constituye una poderosa herramienta para identificar efectos transitorios asociados a los fenómenos más energéticos producidos en el cosmos. De este modo, la detección de señales retardadas correspondientes a los estallidos cortos de rayos gamma asociados a la contrapartida electromagnética de eventos de ondas gravitacionales puede proporcionar información esencial sobre la naturaleza y la localización de su progenitor. En este trabajo se investigará el potencial de futuros detectores espaciales de rayos cósmicos de gran campo de visión (HERD, AMS-100) para la detección de señales transitorias de rayos gamma.

Supervisores: Dr. Miguel Angel Velasco (CIEMAT) ( MiguelAngel.Velasco@ciemat.es ), Dr. Jorge Casaus (CIEMAT)  ( Jorge.Casaus@ciemat.es )

Se trata de una medida de precisión del modelo estándar de física de partículas. La caracterización de estos procesos es también esencial para entender uno de los fondos más importantes para el estudio de las propiedades del bosón de Higgs en su canal de desintegración en pares de quarks pesados (H --> bb, H --> cc). Tiene una posible extensión a la producción de un bosón vectorial W y dos jets originados por quarks b.

Supervisores: Dr. Juan Pablo Fernández (CIEMAT) ( juanpablo.fernandez@ciemat.es ), Dra. Isabel Josa (CIEMAT) ( isabel.josa@ciemat.es )

El único acoplamiento establecido y medido del recientemente descubierto bosón de Higgs a leptones es el acoplamiento del bosón de Higgs al tau, H-t. Si bien este acoplamiento será medido de forma más precisa en el LHC y en su versión de alta luminosidad, HL-LHC, será en un futuro colisionador electrón-positrón a energías del teraelectronvoltio (TeV) cuando se podrá determinar éste con mucha mayor resolución, buscando desviaciones frente a las predicciones del Modelo Estándar.

En este trabajo desarrollaremos análisis basados en simulaciones de sucesos en futuros colisionadores electrón-positrón aún en fase de concepción y desarrollo.

Supervisores: Dra. María Cepeda (CIEMAT) ( maria.cepeda@cern.ch ), Dr. Juan Alcaraz (CIEMAT) ( juan.alcaraz@cern.ch )

Se propone determinar la sección eficaz de producción de bosones W y Z con la muestra de datos de colisiones protón-protón a una energía centro de masas de 13,6 TeV que se están tomando con el detector CMS en el Run 3 LHC. Durante los años 2018-2021 se han implementado numerosas mejoras en los detectores del CMS. Se estudiarán las prestaciones de CMS en términos de reconstrucción y medida de muones. Se optimizará la selección de muones para una medida de física y se analizará la muestra seleccionada para medir la sección eficaz de producción de bosones vectoriales W y/o Z a la nueva energía del LHC.

Supervisora: Dra. Isabel Josa (CIEMAT) ( Isabel.Josa@ciemat.es )

El grupo de Ondas Gravitacionales del CIEMAT participa en el análisis de datos del experimento Virgo. Estamos especialmente interesados en estudios de física fundamental, como la energía oscura, la materia oscura y la estimación de parámetros cosmológicos. En este TFM, el estudiante contribuirá a los análisis del fondo estocástico y en la búsqueda de señales sin plantillas bien definidas, como la explosión de Supernovas. Para estos estudios, se prevé la introducción de técnicas de Machine Learning y Deep Learning, centradas en la Inteligencia Artificial Explicable (XAI). XAI se llevará a cabo para generar clasificadores y predictores robustos e insesgados, que permitan identificar las variables más relevantes para las predicciones.

Supervisores: Dr Pablo Garcia (pablo.garcia@ciemat.es), Dr Carlos Delgado (carlos.delgado@ciemat.es) (CIEMAT)

  El LHC (Large Hadron Collider) del CERN está planeando una mejora que conseguirá un incremento de un factor 10 en luminosidad (10 veces el número de colisiones por segundo), en lo que se conoce como High Luminosity LHC, o HL-LHC. Con ello se lograrán medidas más precisas sobre partículas elementales y acceder a procesos más allá de la sensibilidad actual, alguno de los cuales puede ser inesperado. Las mejores colisiones y las más interesantes se seleccionan con algoritmos implementados en los sistemas de Trigger, que requieren también mejoras para este nuevo escenario. CIEMAT ha desarrollado un nuevo algoritmo de trigger para el detector CMS, capaz de operar a la máxima luminosidad prevista, y además con resoluciones temporales óptimas. En este TFM el estudiante trabajará el proceso de selección requerido para el sistema de trigger de un experimento en la frontera del conocimiento y aprenderá el proceso de optimización del trigger de muones de CMS usando muestras de datos de simulación y de colisiones reales.

Supervisores: Dr Alvaro Navarro Tobar (alvaro.navarro@ciemat.es), Dra. Cristina Fernández Bedoya  (cristina.fernandez@ciemat.es) (CIEMAT)