Trabajos de fin de máster 2024/2025

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 más importantes de la física actual, y su descubrimiento representaría un avance trascendental en nuestra comprensión tanto de los componentes fundamentales del universo como del papel que desempeñaron durante su evolución temprana. El grupo de Materia Oscura del CIEMAT (CIEMAT-DM) posee una amplia experiencia en este campo, especialmente en el diseño, construcción, operación y análisis de datos de experimentos basados en detectores de argón líquido. Para superar los límites experimentales actuales en la detección de partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs), se requiere una nueva generación de detectores de gran masa. Nuestro grupo participa actualmente en el análisis de datos del experimento DEAP-3600, un detector de tres toneladas en operación en el laboratorio subterráneo SNOLAB en Canadá, y en la construcción del detector de argón líquido más grande para la detección directa de materia oscura, DarkSide-20k, que contará con 20 toneladas de material activo en su  volumen fiducial y una sensibilidad sin precedentes a señales potenciales de WIMPs. Este detector se está construyendo en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso en Italia y comenzará a tomar datos en 2026.
Los objetivos del TFM (Trabajo de Fin de Máster) pueden adaptarse a los intereses del/de la estudiante, centrándose en la construcción en laboratorio de una cámara completa de argón para el desarrollo de nuevos detectores para el estudio de la materia oscura y/o en el análisis de datos de la búsqueda de materia oscura con el experimento DEAP-3600. Las tareas propuestas ofrecen un aprendizaje profundo en física de partículas, nuclear y de detectores, brindando una experiencia excelente para quienes deseen continuar con un doctorado en física de partículas o astrofísica. 

Supervisor: Dr. Roberto Santorelli (CIEMAT) ( Roberto.Santorelli@ciemat.es )

Muchos experimentos se dedican a la búsqueda de las escasas señales resultantes de las posibles interacciones de WIMPs, hasta ahora sin éxito. Para superar los límites actuales en este campo, se requiere una nueva generación de detectores de gran masa y con un nivel de fondo sin precedentes. DarkSide-20k, cuya construcción ha comenzado en el Laboratorio subterráneo de Gran Sasso en Italia, ofrecerá una sensibilidad sin precedentes a las posibles señales de WIMPs. Para DarkSide-20k, es esencial diferenciar las escasas señales de interacción de WIMPs de los procesos generados por las partículas del modelo estándar. Esto requiere un profundo conocimiento del fondo intrínseco del detector, producido, por ejemplo, por la radioactividad natural del detector y del laboratorio subterráneo donde se ubica. El objetivo del TFM es el análisis de datos, combinando medidas de caracterización y simulaciones y hacer una estimación realista de la sensibilidad y sus incertidumbres. Las tareas propuestas implican un riguroso aprendizaje de física de partículas, física nuclear y técnicas de detección, y ofrecen una excelente preparación para emprender un doctorado en el campo de la física de partículas o la astrofísica.

Supervisor: Dr. Vicente Pesudo (CIEMAT) ( Vicente.Pesudo@ciemat.es )

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.

Supervisoras: Dra. Cristina Fernández Bedoya (CIEMAT) ( Cristina.Fernandez@ciemat.es ), Dra. Cristina Martín Pérez (CIEMAT) ( Cristina.Martin@ciemat.es )

El objetivo de este trabajo es identificar jets (chorros de energía/partículas) que proceden de quarks c generados en las colisiones protón-protón del LHC y detectados en el experimento CMS. Durante el aprendizaje se entenderá que lo más importante no sólo es el resultado sino demostrar que la herramienta de medida (formada por el detector de partículas CMS junto con las características particulares del análisis ) funciona. Evaluaremos cómo de buena es esa herramienta de medida. Tiene muchas posibles extensiones ( desde medidas de lo conocido hasta búsquedas de lo desconocido).

Supervisores: Dr. Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT) ( Juanpablo.Fernandez@ciemat.es ), Dr. Jose María Hernández Calama (CIEMAT) ( Jose.Hernandez@ciemat.es )

El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, llevado a cabo por los experimentos ATLAS y CMS del LHC del CERN, supuso un avance trascendental en la Física de Partículas. Desde entonces esta partícula, ya predicha por el Model Estándar (SM), ha sido analizada y estudiada en varios estados finales de su producción, entre ellos el modo de desintegración del Higgs en 2 bosones W (WW) y éstos a su vez en su desintegración leptónica. El bosón de Higgs tiene varios modos de producción en el LHC: gluon fusion (ggH), vector boson fusion (VBF), y producción asociada con un bosón vectorial electrodébil (VH, que implica ZH or WH). Aprovechando la cinemática de la desintegración del bosón de Higgs y de las partículas asociadas, se puede probar la estructura de acoplamientos del bosón de Higgs, que es sensible a nuevos procesos de física potenciales, más allá del SM (BSM). El estudio se centra en los canales de producción VBF (vector boson fusion) y VH, con una sensibilidad especial a posibles efectos BSM. El canal leptónico en VH (donde las partículas asociadas Z/W se desintegran leptónicamente) está poco estudiado desde el punto de vista de un análisis de acoplamientos en H--> WW. En este TFM se propone un estudio a nivel de simulación de los acoplamientos del bosón de Higgs en el canal leptónico de VH con el experimento CMS. Ello conlleva establecer criterios de selección de sucesos y diseñar las variables óptimas para el estudio en este canal.

Supervisores: Dr. Dermot Moran (CIEMAT) ( Dermot.Moran@ciemat.es ), Dr. Javier Brochero (CIEMAT) (JavierAndres.Brochero@ciemat.es )

El objetivo de este trabajo es desarrollar una herramienta genérica capaz de evaluar a nivel generador, en escenarios de física más allá del Modelo Estándar con desintegraciones exóticas del bosón de Higgs, las señales experimentales con mayor potencial de descubrimiento, dadas las características específicas de un tipo de detector y colisionador. Esta herramienta permitirá, de manera automatizada y flexible, facilitar la planificación de futuros experimentos y optimizar las búsquedas de nueva física, maximizando así los esfuerzos de la comunidad científica en esta dirección. Estos dos investigadores proponen un TFM alternativo, de título "Medida de A_e a través de la asimetría FB de polarización del tau con el futuro acelerador FCC-ee". A discutir con l@s candidat@s la preferencia de tema.

Supervisores: Dr. Alberto Escalante del Valle (CIEMAT) ( A.Escalante.del.Valle@cern.ch ), Dra. María Cepeda Hermida (CIEMAT) (maria.cepeda@cern.ch)

Las incógnitas abiertas en física de neutrinos exigen enormes detectores (>kton), con gran resolución energética y que sean capaces de distinguir las partículas resultantes de la interacción del neutrino. Un detector con estas características basado en un diseño simple y no muy costoso supondría un avance enorme para este campo. LiquidO es una nueva tecnología basada en el uso de líquido centellador opaco y fibras centelladoras que es capaz de identificar neutrinos de baja energía y conocer su punto de interacción con alta precisión, resolviendo las limitaciones del método tradicional de detección (centellador transparente). El trabajo propuesto consiste en el desarrollo de simulaciones Monte Carlo para el primer experimento que se está llevando a cabo con la tecnología LiquidO: un detector de 10 toneladas que tiene como objetivo principal monitorizar un reactor nuclear usando por primera vez los neutrinos generados en las reacciones de fisión. El trabajo tiene lugar en el entorno de una colaboración internacional en la que participan institutos de investigación y universidades de Francia, Gran Bretaña y Alemania.

Supervisoras: Dra. Carmen Palomares Espiga (CIEMAT) ( MC.Palomares@ciemat.es ), Dra. Diana Navas Nicolás (CIEMAT) (Diana.Navas@ciemat.es )

Este trabajo consistirá en el estudio cinemático de la producción de pares tt en asociación con jets de alto momento transverso, así como del cociente de las secciones eficaces tt+jet y tt, como función de diferentes variables cinemáticas. Para ello se emplearán métodos de Monte Carlo para el cálculo de las secciones eficaces a segundo orden perturbativo, NLO, junto con modelos de duchas partónicas y hadronización. Se pondrá énfasis en la evaluación de la dependencia de dichos observables con la constante de acoplo fuerte y la masa del quark top.

Supervisores: Dr. Javier Llorente Merino (CIEMAT) ( Javier.Llorente@ciemat.es ), Dra. Isabel Josa Mutuberría (CIEMAT)  (Isabel.Josa@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).

Supervisor: Dr. Miguel Angel Velasco Frutos (CIEMAT) ( MiguelAngel.Velasco@ciemat.es )

Las medidas de los flujos de rayos cósmicos proporcionadas por los experimentos espaciales de última generación (PAMELA, CALET, DAMPE, AMS-02) presentan incertidumbres inferiores al 5% que potencialmente permiten una determinación muy precisa de los parámetros de los modelos de propagación de rayos cósmicos en la galaxia (coeficiente de difusión, tamaño del halo). Sin embargo, la capacidad predictiva de estos modelos está severamente limitada por las incertidumbres en las secciones eficaces de interacción de las distintas especies de rayos cósmicos con el medio interestelar. Este trabajo se centrará en el estudio de los rayos cósmicos muy pesados (Z>14) mediante la revisión de las medidas y modelos existentes para la evaluación de las secciones eficaces relevantes, la determinación sistemática de su impacto en los parámetros de propagación y el cómputo de la precisión deseada en las nuevas medidas de secciones eficaces previstas en los experimentos actualmente en operación (SHINE, AMBER).

Supervisores: Dr. Jorge Casaus Amentano (CIEMAT) ( Jorge.Casaus@ciemat.es ), Jose Ocampo Peleteiro (CIEMAT) ( Jose.Ocampo@ciemat.es )

El grupo de Ondas Gravitacionales del CIEMAT participa en el análisis de datos del experimento Virgo. El objetivo es estudiar física fundamental, abarcando energía oscura, materia oscura y parámetros cosmológicos. En este TFM el estudiante desarrollará un algoritmo que explote correlaciones no-lineales entre los interferómetros de LIGO y Virgo, en la búsqueda de señales. Otro TFM posible consistiría en identificar fallos en el interferómetro de Virgo usando Explainable Artificial Intelligence (XAI) en el dominio temporal.

Supervisores: Dr. Pablo García Abia (CIEMAT) (pablo.garcia@ciemat.es), Dr. Carlos Delgado (carlos.delgado@ciemat.es) (CIEMAT), Dr. Miguel Cárdenas Montes (CIEMAT) (miguel.cardenas@ciemat.es)

  La Agencia Espacial Europea lanzó el satélite Euclid en Julio 2023. Uno de sus objetivos es mejorar el entendimiento de los procesos físicos en los primeros 10^{-30} segundos del Universo, cuando debió tener lugar la inflación. En esta fase el Universo se expandió exponencialmente y se crearon las semillas de la estructura a gran escala del Universo (LSS), expandiendo minúsculas fluctuaciones cuánticas hasta escalas de nivel extragalácticas. Este proceso creó unos patrones que se observan a día de hoy en la distribución de galaxias en el Universo. Los modelos de inflación más simples predicen una distribución Gaussiana para las condiciones iniciales, sin embargo, modelos más exóticos predicen la existencia de Primordial Non-Gaussianities (PNG). Para estudiar este punto, Euclid realizará un mapa con la posición de millones de galaxias y estudiará las variables de agrupamiento (clustering), entre ellas la función de correlación de 2-puntos: cómo la densidad de galaxias está correlacionada en distintas regiones del espacio en función de la distancia entre ellas. En el caso de existir PNG, debería haber un aumento de señal característico a grandes escalas. Esta es una oportunidad única para arrojar luz sobre esta época primordial del Universo. Recientemente se ha propuesto que seleccionar galaxias en función de su entorno puede aumentar las posibilidades de detectar PNG (Castorina, arxiv:1803.11539). Esta idea no se ha probado nunca en simulaciones realistas de PNG. Nuestro grupo ha generado recientemente las simulaciones cosmológicas más grandes a día de hoy, estando por tanto en una situación única para probar esta hipótesis. El estudiante construirá distintas muestras de galaxias de tipo Euclídeo en las simulaciones PNG para probar la hipótesis de Castorina. Analizará también las variables de agrupamiento en estas muestras buscando posibles señales de PNG. Para ello utilizará los equipos de High Performance Computing y las herramientas y experiencias adquiridas en esta tarea serán transferidas a otros projectos de Big Data. Nuestro grupo está involucrado en varias colaboraciones internacionales que realizan distintos estudios de galaxias y lideran el proyecto de simulación PNG, como se ha mencionado.

Supervisor: Dr. Santiago Avila Pérez (CIEMAT) ( santiagoavilaperez@gmail.com )

The standard cosmological model includes cold dark matter, dark energy, and massive neutrinos, which together constitute over 95% of the energy content of the Universe. They have a direct impact on the formation of galaxies, the accelerated expansion and ultimate fate of the Universe, and the predominance of matter over antimatter, respectively. Hence, if we are to understand the Universe, we need to fully uncover their physical properties. This includes but is not limited to measuring the density of the dark matter, the equation of state of the dark energy, and the sum and hierarchy of the neutrino masses. To this end, the student will utilize state-of-the-art cosmological datasets to perform a self-consistent combined analysis of the two most powerful probes of the dark Universe: weak gravitational and galaxy clustering. This involves modifying the analysis code to include uncertainties in the modeling, such as how the dark matter is distributed on
nonlinear scales. It subsequently involves performing Markov Chain Monte Carlo runs on supercomputers that will allow for novel constraints on the underlying cosmological model. The student will analyze these constraints and assess possible tensions between different cosmological probes. The project requires the student to have an understanding of Python and Unix.

Supervisor: Dr. Shahab Joudaki (CIEMAT) ( SJoudaki@gmail.com )