Decaímento beta duplo sem neutrinos
Ainda não foi possível determinar se o neutrino é a sua própria anti-partícula (neutrino de Majorana) ou não (neutrino de Dirac). A observação do decaímento beta duplo sem neutrinos permitirá esclarecer esta questão em aberto e possivelmente revelar física para além do modelo padrão. Várias experiências, entre as quais LZ, procuram este decaímento extremamente raro. Nesta actividade os alunos irão avaliar a sensibilidade de LZ para observar este decaimento e analisar dados da experiência.

Experiment : DarkMatter
Node : Coimbra
Supervisor(s) : Alexandre Lindote e Paulo Brás
Email : alex@coimbra.lip.pt
Number of students : 3
Dates : 01/07/2020 a 31/07/2020

Muografia: usar muões cósmicos para estudar grandes estruturas
A muografia é uma técnica semelhante a radiografia, que usa os muões criados por raios cósmicos como fonte de radiação natural e abundante para criar imagens de grandes estruturas. Neste projeto usamos um telescópio de muões, constituído por vários planos detectores de câmaras de placas resistivas (RPCs) operado no Laboratório de Detectores do LIP, para obter a imagem do edifício de Física da Universidade de Coimbra. O objetivo é otimizar os parâmetros de operação do detetor por forma a obter as melhores imagens possíveis. Em paralelo os candidatos terão oportunidade de participar no R&D e construção de detectores, seus sistemas de suporte e monitorização.

Experiment : DetLab
Node : Coimbra
Supervisor(s) : Ricardo Gonçalo, Sofia Andringa e Luís Lopes
Email : jgoncalo@lip.pt
Number of students : 3
Dates : 01/07/2020 a 31/07/2020

Simulaçoes de Monte Carlo para preparar a procura de matéria escura na experiência LZ
Um grande número de observaçoes astronómicas baseadas em efeitos gravitacionais indicam que o 85% da matéria do nosso universo é completamente invisível. A comunidade científica acredita que esta matéria, chamada matéria escura, é feita de um novo tipo de partículas elementeares ainda desconhecidas. Neste contexto, a Colaboraçao LZ está a construir a expêriencia mais sensível de sempre para estudar a existência de partículas de matéria escura com massa acima de 5 GeV. Para atingir o seu objetivo, a experiência LZ precisa de controlar estritamente os níveis de radiaçao natural, também chamada "background" (da sua denominaçao em inglês), no seu detector. Este estágio oferece uma participaçao directa na experiência LZ, para contribuir na realizaçao de um estudo de "background". Mais concretamente, na primeira etapa o estudante receberá formaçao sobre o funcionamento do detector e no uso de simulaçoes de Monte Carlo. E na segunda etapa o estudante terá oportunidade de usar simulaçoes de Monte Carlo para estudar os níveis de "background" da experiência.

Experiment : DarkMatter
Node : Coimbra
Supervisor(s) : Elias Lopez Asamar, Alexandre Lindote
Email : elias.asamar@coimbra.lip.pt
Number of students : 1
Dates : Aproximadamente 2 meses, datas flexiveis

Development of a next-generation detector concept to detect astrophysical gamma-rays
At LIP we are deeply involved in the design of the next-generation gamma-ray observatory that will be built in South America to survey and monitor the Southern sky. To be able to bridge the energy gap between satellite-borne and ground-based observations, the experiment has to be placed at high-altitude (~5000 m) and use the water Cherenkov detection (WCD) principle. The latter would imply to move enormous amounts of water to the mountains. Our group is playing a key role in the design and optimisation of the WCD concept. By using a matrix of photo-sensors at the bottom, the goal is to be able to reduce the required quantity of water in each detector, while keeping the detector’s performance standards at the required level. The challenge we pose to any student interested is to help us to design this next-generation detector, using dedicated state-of-the-art simulations.

Experiment : SWGO
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Ruben Conceição, Bernardo Tomé, Mário Pimenta
Email : ruben@lip.pt
Number of students : 2
Dates : 1/7 to 15/09 (dates can be adapted)

Exploring the Hidden Sector of Particle Physics at the SHiP experiment
The SHiP experiment is being designed to search for extremely feebly interacting, relatively light and long-lived particles (Hidden Particles), at the intensity frontier. The experiment will be located in a new beam dump facility at CERN where it will use the high-intensity beam of 400 GeV/c protons (4 x 10^13 protons/second) from the SPS accelerator. SHiP is a discovery experiment whose main goal is to find new particles capable of explaining the origin of dark matter, matter-antimatter asymmetry of our Universe, neutrino masses and inflation. The selected student will perform Physics simulations of various Hidden Particles with the aim of studying their kinematic properties. The last task of this work involves the rejection of background events, mimicking some of the Hidden Particle properties, using either a standard cuts procedure or a machine learning approach. The goal is to maximize the selection efficiency of Hidden Particles with a purity of nearly 100%. Depending on the profile of the student, an alternative option may be to optimize part of the SHiP spectrometer. The LIP group has full responsibility for a veto detector and is competing for the construction of a 50 m^2 timing detector. Therefore, the selected student has also the possibility to contribute to the optimization of the properties of both detectors using a detailed simulation of the experiment.

Experiment : SHiP/SND@LHC
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Celso Franco, Nuno Leonardo
Email : celso@lip.pt
Number of students : 2
Dates : About 1 month (flexible dates)

Gamma-ray astrophysics with current and future detectors
The Universe in gamma-rays reveals its most mysterious and energetic processes. Stellar explosions, colliding neutron stars and matter captured by the enormous gravitational force of black holes, all lead to the production of very high energy radiation and particles that we can observe from Earth. In a worldwide effort to understand these processes, LIP participates to the development of a new instrument that will survey the gamma-ray sky. The students working in this internship will have an opportunity to detect sources, determine photon energies and infer luminosities by using data collected by the Fermi-LAT satellite. The obtained results will be used to evaluate the expected science capabilities of the new observational facilities.

Experiment : SWGO
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Ruben Conceição, Giovanni La Mura, Mário Pimenta
Email : ruben@lip.pt
Number of students : 2
Dates : 1/07 to 15/09 (dates can be adapted)

Measurement of particle interactions at the highest energies with data from the Pierre Auger Observatory
The Pierre Auger Observatory is the largest particle detector in the world. It was built to detect and study so-called ultra high energy cosmic rays (UHECR). These are particles that are produced somewhere in the universe, presumable under the most extreme conditions and whose energy by far exceed anything that we can achieve in our laboratories on Earth. One of the key results of Auger is the discovery that interactions of UHECRs do not behave as expected. At LIP, we are working on a measurement of the quantum fluctuations in the CR-interactions. These fluctuations are related to the internal structure of the cosmic ray particles. The goal of this project would be to measure the quantum fluctuations as a function of the energy and investigate different scenarios that can explain the previously observed discrepancy in the CR-interactions.

Experiment : Auger
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Lorenzo Cazon, Ruben Conceição, Felix Riehn
Email : cazon@lip.pt
Number of students : 1
Dates : june-september

Muon tomography on Earth and on Mars
Muon tomography is a non-invasive imaging technique for large structures, such as mines but also more famously pyramids, relying on the detection of natural cosmic ray muon fluxes attenuated by their passage through matter. Cosmic ray muons are created in the atmosphere, which is different for each planet. In this work we will use radiation maps of Mars and Geant4 simulations, the most widely used particle transport Monte-Carlo toolkit, of a mine on Earth, to explore the feasibility of exporting the technique to other planets. The student will learn about Galactic Cosmic Rays in Space, Earth and Mars, particle transport Monte-Carlo analysis and a new exciting method: Muon Tomography.

Experiment : Auger
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Marco Pinto, Pedro Teixeira
Email : mpinto@lip.pt
Number of students : 1-2
Dates : June-August (negotiable)

Pointing Supernovae with SNO+
Supernova explosions create large fluxes of neutrinos, that can be detected at Earth before any other signal. SNO+ is a neutrino detector taking data 2000 m underground in Canada, that can detect these first signals. In this work we will use computer simulations of Supernova signals in SNO+, to study the possible pointing accuracy to the supernova direction in the sky.

Experiment : Neutrinos
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Sofia Andringa
Email : sofia@lip.pt
Number of students : 2
Dates : flexible

Raios cósmicos num só dia
O Observatório Pierre Auger é o maior detector de raios cósmicos do mundo, e os seus dados mostram que os raios cósmicos de mais alta energia chegam de fora da nossa galáxia. Trata-se de protões ou outros núcleos atómicos, que colidem com os átomos da atmosfera a energias superiores às testadas no LHC. O observatório disponibiliza 10% dos dados recolhidos para actividades de divulgação e educação. O objetivo deste projeto é delinear um programa dedicado a alunos do ensino secundário, para que possam explorar fundamentadamente estes dados num trabalho de um dia.

Experiment : Auger
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Sofia Andringa, Pedro Abreu
Email : sofia@lip.pt
Number of students : 1
Dates : flexivel

Reconstruction of inclined air showers at the Pierre Auger Observatory
The Pierre Auger Observatory, the largest particle detector in the world, measures ultra high energy particles (cosmic rays) coming from the universe by detecting the particle cascades that are initiated according to Einstein`s theory of special relativity when the cosmic ray enters the atmosphere. The observatory is currently being upgraded with several new detector components to improve its performance. In particular, the upgraded detector will be able to detect many more so-called inclined air showers. At LIP the measurement of inclined air showers are used to study the nature of the interactions of the cosmic rays and look for signs of new physics. The goal of this project is to improve the reconstruction of the properties of the cosmic rays from the measured inclined showers, so to prepare for the improved statistical precision.

Experiment : Auger
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Lorenzo Cazon, Ruben Conceição, Gonzalo Parente
Email : cazon@lip.pt
Number of students : 1
Dates : june-september

Análise de dados do Observatório Pierre Auger
O Observatório Pierre Auger, na Argentina, é o maior detector de raios cósmicos do mundo. A sua operação tem o objectivo científico de determinar a origem e a natureza dos raios cósmicos de energia extrema. Neste projecto, será feita a análise dos primeiros dados dos novos detectores RPC (do inglês "Resistive Plate Chamber") do Observatório, que pretendem ajudar a dar respostas a estas questões. Tendo sido recentemente instalados os novos detectores RPC no Observatório Pierre Auger, coloca-se o desafio de analisar, interpretar e compreender os seus primeiros dados, para que estes possam ser usados de forma segura e consolidada na resposta às questões científicas de fundo. Será necessário, numa fase inicial, replicar os parâmetros de performance obtidos em estudos anteriores, tais como a estabilidade temporal e a uniformidade espacial do sinal. Será usado o fluxo de muões atmosféricos como feixe, cujas propriedades são bem conhecidas, para estudar a taxa de sinal nos diferentes segmentos do detector em função do tempo.

Experiment : Auger
Node : Minho
Supervisor(s) : Raul Sarmento
Email : raul@lip.pt
Number of students : 1
Dates : Maio-Setembro 2020 (negociável)

Cálculo da secção eficaz de dispersão elástica electrão-neutrino com correções radiativas
A dispersão elástica neutrino-electrão é a interação dominante numa grande parte das experiências de neutrinos, sobretudo nas que usam alvos como água e cintilador líquido (SuperKamiokande, Borexino). A experiência SNO+, que está neste momento a tomar dados, utilizará cintilador líquido como material-alvo, pelo que as interações de neutrinos detectados (sobretudo solares) serão feitas predominantemente por intermédio desta interação. A secção eficaz de dispersão elástica de neutrino-electrão é um dos parâmetros de entrada das análises de oscilações de neutrinos. Em primeira aproximação, a secção eficaz diferencial é conhecida. No entanto, há estudos de correções que podem ser introduzidas no cálculo da secção eficaz que contêm dependências de parâmetros adicionais, abrindo a porta a novos estudos das propriedades dos neutrinos, tais como o momento magnético dos neutrinos. Este trabalho tem como objectivo implementar um cáculo da secção eficaz da dispersão elástica dos neutrinos incluindo factores de correções radiativas. Numa fase posterior do trabalho será possível estudar a sensibilidade da experiência SNO+ a um possível momento magnético anómalo dos neutrinos, usando dados de simulação.

Experiment : Neutrinos
Node : Minho
Supervisor(s) : Nuno Barros, Nuno Castro
Email : barros@lip.pt
Number of students : 1
Dates : Junho-Julho (negociável)

Muografia de um Edifício
A muografia é uma técnica semelhante à radiografia, que utiliza muões como uma fonte de radiação natural abundante para fazer imagens de grandes objetos. Os muões são partículas elementares, semelhantes aos eletrões mas com maior capacidade de penetração na matéria, criadas na interação de raios cósmicos na atmosfera terrestre. Neste projecto, será feita a análise de dados de um telescópio de muões que está a ser testado em Coimbra, reconstruindo a imagem do edifício onde está instalado.

Experiment : Auger
Node : Minho
Supervisor(s) : Sofia Andringa, Raul Sarmento
Email : raul@lip.pt
Number of students : 1
Dates : Maio-Setembro 2020 (negociável)

Observação de muões cósmicos
Os alunos irão ter formação básica em Física de Partículas e detectores associados e estudar a formação de chuveiros de partículas pela interacção de raios cósmicos na atmosfera. Irão utilizar dois sistemas de aquisição de dados (CosmicWatch e MUTOM) para medir e comparar o fluxo de muões em diversas condições, bem como preparar toda a logística necessária para enviar (e recuperar) o setup num balão estratosférico, de forma a medir a variação do fluxo de muões com a altitude até cerca de 30 km.

Experiment : CCMC
Node : Coimbra
Supervisor(s) : Alexandre Lindote, Francisco Neves e Filipe Veloso
Email : alex@coimbra.lip.pt
Number of students : 3
Dates : 01/07/2020 a 31/07/2020

Testes do novo detetor de tempo de voo para experiência HADES.
O espectrómetro HADES instalado no GSI Darmstad (https://hades.gsi.de/) está a sofrer um upgrade que inclui um novo detetor de tempo de voo na região forward. O grupo de detetores RPC do LIP esta a construir este detetor baseado na tecnologia de câmaras de placas resistivas (RPC em ingles). Estes detetores caraterizam-se por uma elevada resolução temporal e uma alta eficiência de deteção. Os candidatos irão participar nos testes feitos no laboratório (nomeadamente testes de resolução temporal e eficiência com raios cósmicos) com os detetores que serão instalados no fim do ano na Alemanha.

Experiment : HADES
Node : Coimbra
Supervisor(s) : Alberto Blanco
Email : alberto@coimbra.lip.pt
Number of students : 2
Dates : Aproximadamente 1-2 mes, datas flexiveis

Functional test studies for the Engineering Qualification Model of RADEM, the radiation monitor for the ESA JUICE mission, using Monte Carlo analysis
The Engineering Qualification Model (EQM) of RADEM, the RADiation hard Electron Monitor that will fly in the European Space Agency (ESA) Jupiter Icy moons Explorer (JUICE) mission, that will measure electrons, protons and heavy ions in the Jovian system is currently under construction. While the EQM will not be subject to a full calibration, we plan to perform a baseline benchmark of the detector’s performance before and after the mechanical and electrical stress tests. For this purpose, radioactive sources will be used, namely Cs-137, in order to evaluate the noise and detection efficiency of all sensitive parts of the detectors. For this purpose, the student will use Geant4 simulations (the most widely used particle transport toolkit) to study possible setups, source location and activity, and optimize the tests in relation to detector response and test time. During the course of this work the student will become familiar with Monte Carlo analysis technique for particle transport, radiation environment in Space and the development of radiation monitors.

Experiment : SpaceRad
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Marco Pinto, Patrícia Gonçalves
Email : mpinto@lip.pt
Number of students : 1-2
Dates : June-August (negotiable)

Optical fibers applications
The usage of plastic optical fibers is widely common in high energy physics and particle detection. In this project the response of different types of optical fibers will be understood focusing to its application in the CERN/LHC/ATLAS detector, future detectors and also medical applications. The interesting characteristics of the optical fibers are the light yield, attenuation length, trapping efficiency and also to study how these characteristics evolve in time. The latter effect is usually called as aging and it is crucial for planing experiments or equipments with a long term usage. In this internship you will use experimental setups at LOMaC that emulate the final end applications of the optical fibers to study these characteristics.

Experiment : LOMaC
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Agostinho Gomes, Joao Gentil Saraiva
Email : gentil@lip.pt
Number of students : 1 (maximum 2 dependent on contingency meassures))
Dates : 1/7 to 30/8

Optimization of scintillator-fibre coupling for future detectors
In the ATLAS tile calorimeter, a detector consisting of tiles of scintillator material coupled to optical fibers readout by photomultipliers, is used to measure the energy of all sort of particles such as hadrons, electrons and even muons. A similar detector configuration could be used for the calorimeters for the next generation of high energy experiments at the Future Circular Collider (FCC). A small testing setup reproducing the same detection principle exists at LOMaC/LIP and its Geant4 simulation recently became available. The goal of this project is to finalize the validation of this simulation and use it to study the coupling between the scintillating tile and the fibers in order to optimize the sensitivity to particles’ energy and therefore contribute to the development of future calorimeters.

Experiment : ATLAS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Ana Luísa Carvalho, João Gentil
Email : ana.luisa.mc@ua.pt
Number of students : 2
Dates : July, August .

Propriedades óticas de plásticos cintiladores para dosimetria de elevada resolução utilizando o FLUKA e dados.
A dosimetria de elevada resolução e a microdosimetria desempenham um papel fundamental na caracterização do campo de radiação em radioterapia com iões pesados. O conhecimento da energia depositada à escala sub-mm é essencial para reduzir as incertezas no alcance de protões e iões de carbono nos tecidos (na região do pico de Bragg). Pretende-se com este trabalho dar um contributo para o estudo da resposta óptica de fibras cintiladoras extremamente finas, que poderão ser aplicadas em microdosimetria. As tarefas propostas serão a análise de medição experimental de fibras opticas cintilantes em laboratório acompanhado por simulações utilizando o codigo FLUKA. Pretende-se estudar a deposição de energia de protões nas fibras, a propagação da intensidade de luz nas fibras e efeitos de cross-talk comparando resultados de FLUKA com dados experimentais tendo em vista a contrução de um dosimentro para aplicações médicas.

Experiment : RADART
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Luis Peralta, Jorge Sampaio, Joao Gentil Saraiva
Email : jsampaio@lip.pt
Number of students : 1
Dates : 1/7-31/7

Sistema de alta tensão do Tilecal
A renovação do detector ATLAS para funcionar no LHC de alta luminosidade (HL-LHC) implica a substituição de toda a electrónica do calorímetro hadrónico Tilecal, incluindo o sistema de alta tensão (HV) que alimenta os cerca de 10000 fotomultiplicadores do Tilecal pois o sistema actual não suporta a radiação prevista para o HL-LHC. O novo sistema de alta tensão vai estar localizado fora do detector numa zona não exposta à radiação (caverna USA15), e consiste em cartas reguladoras e distribuidoras de alta tensão e cartas com conversores DC-DC de alta tensão que produzem a HV primária (HV supplies). Para levar a HV ao detector serão usados cabos de cerca de 100 metros de comprimento, e dentro do detector a HV será distribuída por cartas de distribuição Hvbus. O novo sistema de HV está a ser desenvolvido no LIP. Novos protótipos estão a ser desenhados e testados. Um protótipo da carta HV supplies será produzida em breve e será testada em conjunto com o protótipo já produzido da carta reguladora com 48 canais. Neste estágio será avaliado o desempenho de ambos os protótipos.

Experiment : ATLAS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Agostinho Gomes e João Gentil Saraiva
Email : agomes@lip.pt
Number of students : 1
Dates : Datas flexíveis a partir de meados de Junho, duração de 1 a 2 meses

Física do quark top e do bosão de Higgs
Neste estágio, alunos de LF/MIEF irão analisar dados obtidos com o detector ATLAS do CERN (laboratório europeu para localizado em Genebra) para procurar partículas elementares, nomeadamente bosões de Higgs e quarks top. Desvios das previsões do modelo padrão da física de partículas (SM) relativas às propriedades da produção e decaimento do bosão de Higgs e do quark top no detector ATLAS fornecem testes independentes de modelos específicos para nova física, com fortes implicações para o SM.

Experiment : ATLAS
Node : Coimbra
Supervisor(s) : Filipe Veloso e Ricardo Gonçalo
Email : filipe.veloso@uc.pt
Number of students : 3
Dates : 01/07/2020 a 31/07/2020

Charm and Lepton Flavor Universality Violation
Multiple theories that extend the standard model (SM) of particle physics foresee that some kind of new physics (NP) signals should be revealed at the TeV energy scale made accessible by the LHC. The strongest evidence for NP in current collider data currently is found in the study of flavor transitions in the decays of beauty, charm and strange quarks. A central component of these anomalies are departures detected in the data from the principle of Lepton Flavor Universality (LFU, where the SM couples identically to all 3 lepton flavors: electrons, muons, taus). A main LFU observable is the so-called R(D*) measurement: it uses b-quark to c-quark decays involving leptons, b -> c l nu, and probes LFU by comparing the observed rates of these processes involving muon and tau leptons. This quark transition (quarks do not exist in nature in isolation, but bind together to form hadrons) is experimentally measured via the decay of B to D mesons plus leptons, namely: B^0 -> D^{*+} mu^- nu and B^0 -> D^{*+} tau^- nu. In this project, we will perform the reconstruction of D meson ingredient: D^{*+} to D^0 pi^+ -> K^- pi^+ pi^{+}. The primary goal of the project will be to reconstruct the D^0 and D^{*+} meson signals, from their final-state tracks, and employ statistical techniques to separate them form backgrounds, in the CMS data. This will provide a central ingredient for the feasibility of testing LFU violation at CMS.

Experiment : CMS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Eliza Melo, Sandro Fonseca, Nuno Leonardo
Email : eliza@cern.ch
Number of students : 2
Dates : July-September

Investigating the Flavor Anomalies
The so-called "Flavor Anomalies" form the strongest evidence for new physics (NP) in current collider data. These are revealed in quark-level transitions, such as b-> s, a process that is disfavoured in the standard model (SM) but can more readily occur in NP scenarios (for example, involving new gauge or higgs bosons or even stranger new particles known as leptoquarks). The search and study of such rare decays are extremely powerful analyses to probe physics beyond the SM. These so-called indirect searches, performed at particle colliders like the Large Hadron Collider (LHC), offer sensitivity to the presence of NP at energy scales larger than the actual energy of the collisions. The rare decays of B hadrons are particularly interesting processes to study: their decay rate being highly suppressed in the SM, they are sensitive up to very small interferences from NP effects. The decay of the B0 meson into K*0 mu+ mu- is in particular an ideal candidate for these studies: the decay rate is doubly suppressed in the SM (occurring only via quantum mechanical loops), and an analysis of the angular distribution of the produced particles and of the decay rates allow to measure several parameters sensitive to different NP sources, while experimentally the presence of two muons also facilitates the identification of this decay in busy collision events. The interest in this decay channel has been raised when several measurements performed by the LHC experiments (LHCb, CMS, ATLAS) and the Belle experiment showed evidence of discrepancies from the SM predictions that, if confirmed, point to the presence of NP. The Compact Muon Solenoid collaboration (CMS) with the analysis with the data collected in 2012 showed to be able to produce a measurement of these parameters among the most precise ever performed. We are currently analyzing the large amount of data collected in 2016, 2017 and 2018 with the goal of producing a very precise measurement, to confirm the discrepancy or prove it wrong. In this project you will work with data collected by the CMS experiment during these three years. You will analyze the spectrum of the B0 meson mass and decay angle distributions, exploring means for describing the spectra observed in the data, separating signal from background, and using statistical procedures for characterising and measuring the signal properties. The work has the potential for significantly contribute to the CMS-wide exploration of the tantalising Flavor Anomalies.

Experiment : CMS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Alessio Boletti, Nuno Leonardo
Email : alessio.boletti@gmail.com
Number of students : 2
Dates : July-September, flexible

Machine learning methods to improve boosted Higgs boson tagging at ATLAS
Since the discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments, the proton-proton collision data from the Large Hadron Collider has shed new light on the nature of the Higgs mechanism. As the LHC continues to collect data, more precise measurements of the Higgs boson production are possible and can provide a window to effects of new physics which so far have remained elusive. In particular, measuring Higgs boson production in the high momentum regime is an important goal of the LHC and can lead to the discovery of new particles. In this project, the student will join the LIP ATLAS team to work on new techniques to identify Higgs boson decays to pairs of b-quarks, in the high momentum regime. New advanced methods will be evaluated, taking advantage of deep learning techniques and variables sensitive to the decay topology of the Higgs boson. These techniques will be evaluated using ATLAS simulation with the goal of enhancing the sensitivity of analyses measuring H->bb production at high momentum.

Experiment : ATLAS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Inês Ochoa, Rute Pedro, Marcin Stolarski
Email : ines.ochoa@cern.ch
Number of students : 1
Dates : July, August .

Physics with forward protons in the CMS experiment at the CERN LHC
High energy photon-photon collisions may reveal physics beyond the Standard Model, through the anomalous production of W and Z bosons, top quarks, or other heavy particles. The CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider operates a special set of small detectors, known as the Precision Proton Spectrometer (PPS), to detect the signature of scattered protons from these rare processes. In this project simulations of these physics processes, and real data from Run 2 of the LHC, will be analyzed to study the sensitivity to new physics scenarios.

Experiment : CMS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Jonathan Hollar
Email : jjhollar@cern.ch
Number of students : 1
Dates : 06/2020 - 09/2020 (negotiable)

Study of the efficiency of muon identification algorithm with Tag and Probe method using CMS Open Data
The Tag&Probe (TP) method is an experimental procedure used commonly in particle physics that allows to measure process efficiencies directly from data, not having therefore to rely on simulation (and on its accuracy describing the data). The method relies upon Z → di-lepton decays to provide an unbiased, high-purity, electron or muon sample with which to measure the rate of a particular selection or trigger. In this method, a single lepton trigger sample is used, from which a subset of di-lepton events is selected. The CMS detector efficiency of the muon identification algorithms will be studied: the tag is a very well-identified muon triggered in the event, while the probe is a charged particle which when matched with the tag is compatible with the decay of either the J/ψ, Upsilon or Z. The efficiency is obtained by simultaneously fitting the tag-probe invariant mass distributions for the probes passing and failing the selection criteria. The single muon efficiencies are measured with the J/ψ or Upsilon resonance at low pT (2 < pT < 20 GeV) and with the Z resonance at higher pT (20 < pT < 300 GeV). In this project, the student will employ the method to evaluate the efficiency performance to identify muons from J/ψ, Z, and Upsilon using several trigger paths and comparing them, using Open Data and CMS performance results.

Experiment : CMS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Sandro Fonseca, Eliza Melo, Nuno Leonardo
Email : sandro.fonseca@cern.ch
Number of students : 2
Dates : July - September

Study of the Higgs Properties at ATLAS
Since the discovery of the Higgs boson, the precise measurement of its properties has become a fundamental part of the ATLAS Physics programme. The announcement in 2018 of the first observation of the Higgs decays to b-quarks and the associated production of the Higgs with top quarks, done by the ATLAS and CMS collaborations at CERN, probe directly the coupling of the Higgs to quarks and constituted an important step forward in the understanding of the Higgs mechanism. As the LHC continues to take data and more luminosity is accumulated, more precise measurements of the Higgs boson properties are possible, opening the door to search for new physics in the Higgs sector. The first measurement of the boosted H->bb production, sensitive to new physics effects, was announced by ATLAS this year. The Portuguese ATLAS Team has contributed to all these efforts and will continue to be in the frontline of these studies. In this project, the student(s) will join the LIP ATLAS team to participate in the studies of the Higgs couplings. New techniques designed to improve the analysis sensitivity will be evaluated, using ATLAS simulated data and data from proton-proton collisions, when necessary.

Experiment : ATLAS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Ricardo Barrué, Rute Pedro, Patricia Conde Muíño,
Email : pconde@lip.pt
Number of students : 2
Dates : July, August (except the first 2-weeks of August), September.

Estudo das incertezas associadas ao uso de redes neuronais profundas em pesquisas de quarks vetoriais no Large Hadron Collider do CERN
Apesar do sucesso do modelo padrão da física de partículas ter um enorme sucesso na descrição dos dados experimentais disponíveis atualmente há ainda várias questões em abertas como, por exemplo, o problema da hierarquia e o número de famílias fermiónicas. Nesta proposta será estudada a possível existência de novos quarks vetoriais, bem como a sensibilidade dos dados do LHC para testar esta hipótese. Neste âmbito serão usadas técnicas avançadas de machine learning em topologias multileptónicas. Este projeto irá permitir estudar o uso de técnicas de machine learning num contexto específico de Física de Partículas (pesquisa de quarks vetoriais em colisões hadrónicas), contribuindo para melhorar a sensibilidade das pesquisas em curso, bem como para aumentar a generalidade das mesmas. Dará também um contributo para a resolução de problemas de análise de dados e deep learning que surgem neste contexto. Permitirá ao estudante aprofundar o seu conhecimento de física de partículas e adquirir competências em técnicas avançadas de análise de dados. No âmbito do desenvolvimento de um programa de análise de pesquisa de acontecimentos multileptónicos em LHC irão ser simuladas as amostras Monte Carlo necessárias, correspondentes aos processos de fundo e de sinal. O trabalho será focado em topologias multileptónicas. Estes dados irão ser analisados usando as ferramentas computacionais usadas no âmbito do projeto BigDataHEP. Serão desenvolvidas, em particular, redes neuronais profundas (DNNs) destinadas a separar os acontecimentos de sinal do fundo usando a biblioteca Keras. Estas redes serão estudadas em detalhe, com ênfase no desenvolvimento de técnicas para avaliação das incertezas associadas ao uso de DNNs. Para tal será usada a técnica de dropout na fase de inferência, estudando a distribuição dos resultados obtidos, tendo em conta os limites experimentais obtidos com cada uma das redes desenvolvidas.

Experiment : SimBigDat
Node : Minho
Supervisor(s) : Nuno Castro, Miguel Romão, Rute Pedro, Tiago Vale, Ana Peixoto
Email : nuno.castro@fisica.uminho.pt
Number of students : 1
Dates : Maio-Setembro 2020 (negociável)

Métodos avançados de análise de dados na pesquisa de matéria escura associada ao quark top no Large Hadron Collider do CERN
A origem da matéria escura (DM) é uma das grandes questões em aberto na física de partículas. A pesquisa de DM em colisionadores pode fornecer informações valiosas, complementares às obtidas por experiências diretas e indiretas. Nesta proposta, o uso de técnicas avançadas de machine learning no contexto da pesquisa de DM em assinaturas monotop, onde um quark top muito energético é produzido em associação com uma grande quantidade de energia transversa em falta, será explorado. Este projeto irá permitir estudar o uso de técnicas de machine learning num contexto específico de Física de Partículas (pesquisa de acontecimentos monotop em colisões hadrónicas), contribuindo para melhorar a sensibilidade das pesquisas em curso, bem como para aumentar a generalidade das mesmas. Dará também um contributo para a resolução de problemas de análise de dados e deep learning que surgem neste contexto. Permitirá ao estudante aprofundar o seu conhecimento de física de partículas e adquirir competências em técnicas avançadas de análise de dados. No âmbito do desenvolvimento de um programa de análise de pesquisa de acontecimentos monotop em LHC irão ser simuladas as amostras Monte Carlo necessárias, correspondentes aos processos de fundo e de sinal. Estes dados irão ser analisados usando as ferramentas computacionais usadas no âmbito do projeto BigDataHEP. Após a identificação das variáveis adequadas à separação entre sinal e fundo, serão desenvolvidas e estudadas redes neuronais profundas destinadas à classificação dos dados. Neste contexto será estudada a importância durante a fase de trino das redes do uso correto dos pesos associados a cada processo simulado, tendo em conta a grande disparidade entre as secções eficazes dos processos de sinal e de fundo. Serão exploradas técnicas de cost-sensitivity para este fim, em particular o uso de focal loss. Os resultados obtidos serão estudados, interpretados e documentados de forma sistemática, para poderem ser usados em trabalhos futuros.

Experiment : SimBigDat
Node : Minho
Supervisor(s) : Nuno Castro, Miguel Romão, Rute Pedro, Tiago Vale, Ana Peixoto
Email : nuno.castro@fisica.uminho.pt
Number of students : 1
Dates : Maio-Setembro 2020 (negociável)

Studying Jet Quenching Phenomenon using Deep Learning on Low-Level Variables
At high enough energies and densities, Quark-Gluon Plasma (QGP) can be formed at heavy-ion collisions. Although observed at the LHC, the dynamics and description of QGP is still an outstanding problem in Quantum Chromodynamics (QCD), the theory of strong interactions. A remarkable probe into this new phase of matter is the one of quenched jets, where a jet initiated inside the QGP will interact with it and therefore have different characteristics than those initiated in the vacuum, e.g. at proton-proton collisions. In this project we will study how to separate quenched from unquenched jets using Deep Neural Networks (DNN) using low-level detector variables, using different architectures on simulated data in order to learn more about jet quenching.

Experiment : SimBigDat
Node : Minho
Supervisor(s) : Miguel Romão
Email : mcromao@lip.pt
Number of students : 1
Dates : Junho-Julho (negociável)

COMPASS acceptance obtained using Machine Learning Techniques
COMPASS is a high-energy physics experiment at the Super Proton Synchrotron (SPS) at CERN in Geneva, Switzerland. The purpose of this experiment is the study of hadron structure and hadron spectroscopy with high intensity muon and hadron beams. For various measurements performed in COMPASS the spectrometer acceptance needs to be known. The acceptance describes the probability for a given particle to be detected in the COMPASS detector. So far in COMPASS the acceptance was calculated in bins of certain kinematic variables. In the proposed project one will obtain the acceptance using Neural Networks. The results will be compared with the acceptance obtained from more traditional methods. These comparisons can lead to an evaluation of the acceptance systematic uncertainty related to neural network stability.

Experiment : P&QCD
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Marcin Stolarski, Celso Franco
Email : mstolars@lip.pt
Number of students : 1-2
Dates : 3-6 weeks, exact dates to be agreed with student(s)

Contribution to the study of the transverse dynamics of quarks in the COMPASS experiment at CERN
In 2015 and 2018 COMPASS performed a pioneering polarised Drell-Yan experiment by scattering a 190 GeV/c pion beam off a transversely polarised proton target. The main goal of the experiment is to study the poorly known transverse momentum dependent distributions of quarks (TMDs) inside the proton. These TMDs can be cleanly accessed through the selection of dimuons resulting from quark-antiquark annihilations, i..e. dimuons resulting from the Drell-Yan process. The selected student will use deep neural networks to classify all the detected dimuon events at COMPASS according to their production mechanism: Drell-Yan, J/psi decays, psi decays, open-charm decays or combinatorial background. To this end a detailed simulation of the experiment will be used to perform a multidimensional comparison of all dimuon processes, with the goal of maximizing the efficiency of the Drell-Yan selection while keeping a purity of the order of 95%.

Experiment : P&QCD
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Celso Franco, Marcin Stolarski
Email : celso@lip.pt
Number of students : 1
Dates : About month (flexible dates)

Estudo das propriedades dos hadrões através das suas interações na experiência AMBER
A experiência AMBER é uma nova experiência que está a ser proposta no CERN e deverá começar em 2022. Entre vários, um dos objectivos da experiência é medir as interações entre diferentes hadrões como piões, kaões e protões e estudar as diferenças e semelhanças entre eles. Neste estágio propomos estudos relacionados com a preparação desta experiência, nomeadamente a optimização das componentes passivas do detector que têm um papel fundamental no controlo da radiação envolvente que não pode exceder certos limites. Em paralelo poderão também ser analisados dados de COMPASS, uma outra experiência do CERN, que tomou dados em condições semelhantes (em 2018) às que AMBER se propõe numa primeira fase e permitem determinar e projetar melhorias a serem implementadas na futura experiência. O programa de estágio poderá ser adaptado aos interesses do aluno, existindo flexibilidade, dadas as diferentes opções de estudo que a preparação de uma experiência envolve e o facto de existirem dados semelhantes já tomados.

Experiment : P&QCD
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Márcia Quaresma, Catarina Quintans
Email : marcia@lip.pt
Number of students : 2
Dates : cerca de 1 mês (datas flexíveis)

Exploring the fast evolution of the Quark-Gluon Plasma
The study of the Quark-Gluon Plasma (QGP), a hot, dense and coloured medium produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions, is at the forefront of the heavy-ion physics program of the LHC (at CERN). With an extremely short lifetime, the evaluation of its properties has to rely on indirect measurements. Among the multitude of available probes, jets - spray of collimated particles resulting from a high momentum quark or gluon - are heavily used. Recent works showed that these objects have the unique potential to be sensitive to scales below the femtometer (shorter than the QGP lifetime). With the long shutdown period of the LHC, it is more important than ever to identify what measurements are the most significant to explore the characteristics of this primordial state of matter. You can join our group by developing observables with the potential to perform a tomographic measurement of the QGP fast evolution.

Experiment : Pheno
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Liliana Apolinário, Guilherme Milhano
Email : liliana@lip.pt
Number of students : 2
Dates : July, August

Hadron structure from nonperturbative QCD
The investigation of bound states and resonances in Quantum Chromodynamics (QCD) is a hot topic especially in view of exotic hadrons such as the recently discovered tetraquark and pentaquark states. Like “ordinary” mesons and baryons, they are made of quarks and gluons and thereby encode the fundamental nonperturbative properties of the strong interaction which are still not well understood. Among the big open questions that we are working on are the origin of confinement of quarks in hadrons and nuclei, the origin of mass, and the properties of matter in extreme conditions such as heavy-ion collisions and neutron stars. Specific topics within this project include the dynamical mass generation of quarks, problems in heavy-light meson spectroscopy, and the calculation of light-front distributions of hadrons.

Experiment : NPStrong
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Gernot Eichmann, Teresa Peña, Alfred Stadler
Email : gernot.eichmann@tecnico.ulisboa.pt
Number of students : 2
Dates : July, August

Heavy Flavour Jets Production in Pb+Pb Collisions with the ATLAS Detector
Nucleus-nucleus collisions at the Large Hadron Collider (LHC) provide an excellent opportunity to create the Quark Gluon Plasma (QGP) in the laboratory energy frontier. The ATLAS experiment provides essential capabilities to study it, namely large acceptance, high granularity calorimeters, tracking detectors and muon spectrometers. A major goal of the Heavy Ion Program of the LHC is the understanding of the effects of the QGP on heavy flavour jets (collimated sprays of particles originating on the hadronization of bottom quarks). The main motivation arises because the bottom quark constitutes an excellent probe to study the nature of the energy loss suffered by the quarks while crossing the QGP. Due to its large mass the bottom quark is the earliest to be formed in the collisions, perceiving thus the entire evolution of the plasma. This is an experimental summer student program and the work will be developed at LIP - Laboratory of Instrumentation and Experimental Particle Physics. The student will analyse data from Pb+Pb collisions at 5.02 TeV taken in the Fall of 2018. The main goal is the observation of the heavy flavour jets suppression as a function of the jet transverse momentum.

Experiment : ATLAS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Helena Santos
Email : helena@lip.pt
Number of students : 2
Dates : Until August, 21

Heavy quark as probes of the primordial plasma
At the LHC, we recreate droplets of the primordial medium that permeated the universe microseconds after the big bang. Heavy-flavor particles are highly sensitive “hard probes” of the properties of this hot and dense soup of quarks and gluons (the quark-gluon plasma, QGP). The decays of these heavy particles are being reconstructed for the first time ever in such a challenging and busy collision environment by the CMS experiment at the LHC. The goal of this project is to reconstruct B0 mesons for the first time in nuclear collisions, and use b-quark mesons to study critical properties of the QGP. This will be achieved by exploring the large PbPb dataset collected by the CMS experiment in the most recent LHC run. The exploration of these meson signals will provide unique information about the underlying properties of the QGP medium.

Experiment : CMS
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Nuno Leonardo
Email : nuno.leonardo@cern.ch
Number of students : 2
Dates : July - September

O charme escondido na Experiência COMPASS do CERN
Partículas compostas por quarks charm são produzidas em grande quantidade na experiência COMPASS do CERN. Em 2015 e 2018 a experiência colectou os dados resultantes das colisões de um feixe de piões carregados em diversos alvos. Os pares de muões assim produzidos contêm a assinatura de estados ligados de pares charm-anticharm de vida curta. Neste estágio, pretende-se estudar estas partículas charmonium, e suas propriedades, a partir dos dados de COMPASS. COMPASS é uma experiência de altas energias, em modo de alvo fixo, dedicada ao estudo da estrutura da matéria hadrónica.

Experiment : P&QCD
Node : Lisboa
Supervisor(s) : Catarina Quintans, Márcia Quaresma
Email : quintans@lip.pt
Number of students : 2
Dates : cerca de 1 mês (datas flexíveis)