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Arbeiten

In der Arbeitsgruppe EVb sind Bachelor- und Masterarbeiten in einem weiten Themenkreis möglich. Daher stellen wir euch hier kurz unsere Arbeitsbereiche vor.

MAGIC

MAGIC ist ein System zweier abbildender Luft-Tscherenkow-Teleskope auf der kanarischen Insel La Palma. Die Teleskope dienen der indirekten Beobachtung der Gammastrahlung aus den kosmischen Quellen (z.B. aktive galaktische Kerne). Bei der Wechselwirkung der auf die Erdatmosphäre eintreffenden Gamma-Photonen mit den Luftmolekülen entstehen Teilchenwolken, sogenannte atmosphärische Schauer. Die Teilchen dieses Schauers erzeugen auf ihrem Weg durch die Atmosphäre ein bläuliches Leuchten (Tscherenkow-Licht), das von den Teleskopspiegeln aufgefangen, in die Kamera reflektiert und dort aufgezeichnet wird.

Die Spiegel haben einen Durchmesser von jeweils 17 m, was MAGIC zu den Teleskopen mit der weltweit größten aktiven optischen Oberfläche macht. Die Energieschwelle liegt bei 30 GeV und ist damit die niedrigste unter allen erdgebundenen Tscherenkow-Teleskopen.

Im Rahmen der Aktivitäten der Gruppe von Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode in MAGIC und im Bereich Tscherenkow-Astronomie bietet sich die Möglichkeit, in mehreren Themenbereichen zu forschen. Dabei handelt es sich um Themen, die interdisziplinärer Natur sind (Astroteilchen- und Atmosphärenphysik, Computing und Statistik) und die innerhalb internationaler Projekte untersucht werden können.

In der Atmosphäre entstehen neben den Gamma-Schauern auch viele – für die Gamma-Astronomie unerwünschte - hadroninduzierte Teilchenschauer, die einen wesentlichen Untergrund für Beobachtungen der Gammastrahlung bilden. Deswegen ist die Gamma-Hadron-Separation ein sehr wichtiger Schritt in der Analyse der in der Kamera aufgezeichneten Bilder. Sie wird mit Hilfe von Methoden der statistischen Klassifizierung durchgeführt. Mögliche Themen für Bachelor-Arbeiten bietet daher die Optimierung verschiedener statistischer Methoden, oder die Entwicklung neuer Methoden zur Gamma-Hadron-Separation (wie z.B. die sog. Modell-Analyse) .

Für die Trennung von Signal und Untergrund sowie für weitere Analyse-Schritte werden Monte-Carlo-Simulationen benötigt, mit denen der Verlauf der elektromagnetischen Teilchenschauer in der Atmosphäre und alle wichtigen Teile der Instrumente nachempfunden werden können. Da bei Experimenten der Astroteilchenphysik keine absolute Kalibrierung im Labor möglich ist und die Messergebnisse von mehreren Zufallsvariablen abhängen, ist man bei der Datenauswertung auf diese Simulationen angewiesen.

ICECUBE

IceCube ist ein Neutrinoteleskop am geographischen Südpol, das ein Targetvolumen von einem Kubikkilometer umfasst. Die Instrumentierung innerhalb des Eises erfolgt dabei mit Stahlseilen (Strings) an denen Digitale Optische Module (DOMs) befestigt sind. Die endgültige Konfiguration des Detektors besteht aus 79 Strings mit je 60 DOMs. Hinzu kommen sechs dichter instrumentierte Strings, die im Rahmen der Niederenergieerweiterung DeepCore ins Eis eingebracht worden sind.

Eines der vorrangigen Ziele der IceCube Kollaboration ist die Entdeckung von galaktischen und extragalaktischen Neutrinopunktquellen. Für die Neutrinos die von Punktquellen emittiert werden bilden die in der Erdatmosphäre erzeugten atmosphärischen Neutrinos den Untergrund. Um Punktquellen mit einer möglichst hohen Signifikanz detektieren zu können ist es daher unerlässlich, das atmosphärische Neutrinospektrum im Detail zu verstehen.

Die Beobachtung atmosphärischer Neutrinos wird dabei ihrerseits durch den enormen Untergrund kosmischer Myonen erschwert, die zusammen mit den Neutrinos durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre erzeugt werden.

DATA MINING

Ziel des Data Minings ist es Muster und Strukturen in Datenmengen zu erkennen und zu analysieren. Zu diesem Zweck werden multivariate Methoden und vor allem Methoden des maschinellen Lernens benutzt. Beispiele für Data Mining sind unter anderem Neuronale Netze, Diskriminanzanalysen, Support Vector Machines, Boosted Decision Trees und der Random Forest. Allerdings ist nicht jede Methode für jedes Problem geeignet.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit am Lehrstuhl E5b können verschiedenste Methoden des maschinellen Lernens systematisch auf ihre Anwendbarkeit in der Gamma- oder Neutrinoastronomie untersucht werden. Die besondere Herausforderung liegt dabei insbesondere in der enorm hohen benötigten Untergrundunterdrückung sowie in der großen Auswahl zur Verfügung stehender rekonstruierter Parameter.

In diesem speziellen Teilbereich der Forschung arbeitet die Gruppe um Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode besonders eng mit dem Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz unter der Leitung von Prof. Morik zusammen. Eine Bachelorarbeit in diesem Bereich eröffnet somit nicht nur die aktive Mitarbeit an einem Thema der aktuellen Forschung, sondern bietet zudem die Möglichkeit des fächerübergreifenden Arbeitens.

Für die Bachelorarbeit steht mit dem Rapidminer eine intuitive, leicht zu bedienende Software zur Verfügung, die plattformunabhängig eingesetzt werden kann. Programmierkenntnisse (insbesondere C++, Python und Java) sind von Vorteil, jedoch keine Vorraussetzung. Ähnliches gilt für Erfahrungen im Umgang mit den Betriebssystemen Linux und Unix.

INFORMATIK

In Zusammenarbeit mit der Fakultät für Informatik in Dortmund werden folgende Projekte verfolgt.

Data Mining: Anwendung von modernen Verfahren zur Informationsextraktion aus komplexen Datensätzen (Neuronale Netze, Random Forest, Boosted Decision Tree, usw.). Zur Bearbeitung des Themas stehen Datensätze von den Teleskopen MAGIC und IceCube zur Verfügung. Die angewandten Methoden sind in dem vom Lehrstuhl für Informatik 8 verfassten Programmpaket „Rapid Miner“ enthalten.

Hardwarenahe Programmierung: die Ausleseelektronik einer neuartigen Kamera, die zur Zeit entwickelt wird, soll mit programmierbaren Logikbausteinen (FPGA)gesteuert werden. Teile dieses Projektes (Programmierung oder Tests) könnten durchgeführt werden. (siehe Hardware)

DATENANALYSE

In beiden Experimenten MAGIC und IceCube geht es um die Identifizierung astrophysikalischer Teilchenbeschleuniger und die Messung der Energie- und Richtungsverteilungen der von den Teleskopen registrierten Teilchen. Teilschritte dieser Analysen können untersucht und optimiert werden. (Wie optimiert man die Simulation von Ereignissen mit Monte Carlo-Methoden? Wie trennt man das Signal vom Untergrund? Welche Messgrößen eignen sich am besten, um Energien oder Richtungen zu rekonstruieren? Wie stimmen Messergebnisse und Theorie überein? Wie können theoretische Vorhersagen am besten widerlegt werden?)

THEORIE 

In enger Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum berechnen wir die Flüsse von hochenergetischen Teilchen aus astrophysikalischen Quellen. In Bacherlorarbeiten könnte es um die Berechnung von Effekten

der Wechselwirkungswahrscheinlichkeit,

der Teilchenpropagation durch den Kosmos, die Atmosphäre und die Erde,

der Teilchenbeschleunigung in astrophysikalischen Szenarien,

der räumlichen Struktur des Universums sowie

der Emission von Gravitationswellen

gehen.

Die Berechnungen können analytisch, numerisch oder mit Monte Carlo Techniken ausgeführt werden. Ziel ist, die Effekte so zu verstehen, dass Aussagen darüber gemacht werden können, welchen Einfluss sie auf die Ergebnisse von MAGIC und IceCube haben.

STATISTIK

In Zusammenarbeit mit der Fakultät Statistik in Dortmund sowie der Fakultät für Mathematik in Bochum werden folgende Projekte verfolgt.

Inverse Probleme: Wir erstellen ein Programmpaket, mit dem allgemein von tatsächlich gemessenen Größen wie Zeiten, Ladungen oder Strömen auf physikalisch relevante und gesuchte Größen geschlossen werden kann. Die Basis des Programms existiert, zahlreiche Verbesserungen und Tests sind möglich.

Zeitreihen: Suche nach Periodizität in Daten die nicht kontinuierlich aufgezeichnet wurden.

Bildanalyse: Informationsextraktion aus zwei- oder dreidimensionalen bewegten Abbildungen (Teilchenspuren in den Teleskopen MAGIC und IceCube)

HARDWARE

In Zusammenarbeit mit der Universität Würzburg und der ETH Zürich entwickeln wir eine neuartige Cherenkov-Kamera auf Halbleiterbasis. Hier sind vielfältige Hardwarearbeiten vom Test von Komponenten über die Programmierung der Ausleseelektronik bis hin zum mechanischen Aufbau möglich. Weiter sind Detailfragen für den Aufbau eines 3-m-Teleskopes auf La Palma zu bearbeiten.

LEHRAMT

Mit dem Treffpunkt Quantenmechanik betreibt die Arbeitsgruppe ein Labor, in dem Schüler in dem Feld der Quantenmechanik experimentieren können. Neue Versuchsanleitungen, ggf. auch Versuche und pädagogische Konzepte können in Masterarbeiten erstellt werden.