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> Students entering particle physics Issue: 2010-1 Section: 14-16

Particle physics

 

Faszination in der Welt der Wissenschaft – die Teilchenphysik: Was sind Hadronen oder Leptonen? Was ist die Schwarze Materie? Wie entstand der Urknall? Jede Menge Fragen über den Kosmos sind immer noch ungelöst und liegen im Verborgenen. Bekomme einen Einblick in Themen und Verfahren der Grundlagenforschung der Fundamente von Materie und Energie mit den Hands on Particle Physics Masterclasses.

Vom 15. Februar bis zum 5. März 2010 fand die 6. Internationale Hands on Particle Physics Masterclasses statt, organisiert von der TU Dresden in Zusammenarbeit mit der EPPOG (European Particle Physics Outreach Group).

Jedes Jahr sind weltweit mehr als 5000 interessierte Schüler und Lehrer dazu eingeladen, an über 90 naturwissenschaftlichen Instituten und Universitäten in 23 verschiedenen Ländern die Geheimnisse unseres Universums zu entdecken. Für einen Tag lang können die Nachwuchsforscher ihre Klassenzimmer zurücklassen und wie wahre Wissenschaftler arbeiten, über die Schulter der Forscher schauen und erhalten selbst Gelegenheit, Messungen an echten Daten aus Teilchenphysikexperimenten des CERNs durchzuführen.

Jeden Tag nehmen bis zu 6 von 90 Instituten teil. Das Programm ist so konzipiert worden, dass zu Beginn der Veranstaltung aktive Wissenschaftler den Schülern einen Einblick in die Themen und Verfahren der Teilchenphysik geben und dementsprechend Grundlagen vermitteln, sodass kein besonderes Vorwissen verlangt wird. Die Jugendlichen können darüber hinaus auch herausfinden, wie die Teilchenphysiker am CERN arbeiten. Im zweiten Teil müssen die Schüler ihre eigenen Kompetenzen beweisen. In Zweiergruppen sollen sie echte Messdaten, die während einer Kollision von Teilchen am CERN in Genf aufgenommen worden sind, an den zur Verfügung gestellten Computern analysieren. Forschungsassistenten unterstützen die Schüler bezüglich der PC-Aufgaben. Die Ergebnisse werden gesammelt, interpretiert und anschließend von den Schülern diskutiert.

Der Höhepunkt ist eine Videokonferenz auf Englisch am Ende des Tages, auf der die Teilnehmer europaweit ihre Resultate austauschen und ihre Erfahrungen miteinander teilen.

 

CERN und LHC – Der Schlüssel zum Verständnis des Universums

Das CERN ist ein internationales Labor in der Nähe von Genf an der Grenze zwischen Frankreich und Schweiz. Es ist das größte Zentrum für die Grundlagen- der Teilchenphysikforschung weltweit und wurde 1954 von zwölf europäischen Staaten gegründet; momentan unterstützen acht weitere europäische Staaten das CERN finanziell, wobei Deutschland, Frankreich und Großbritannien zusammen die Hälfte der Kosten übernehmen. Weitere 65 Staaten sind am Projekt beteiligt, vor allem durch das Entsenden von Wissenschaftlern in die Schweiz. Neben 2500 Angestellten arbeiten momentan ca. 8000 Teilchenphysiker von 580 Universitäten und Instituten am CERN.

Um die oben gestellten Fragen zu beantworten, entwickeln die Wissenschaftler Experimente, bauen diese auf, führen diese durch und werten sie aus. Die technischen Anforderungen sind extrem hoch und die Ingenieure leisten Pionierarbeit für die Konstruktion der gigantischen Teilchenbeschleuniger und Detektoren. Der neueste Beschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC), ist die größte Maschine der Welt und ist erbaut worden, um die Gegebenheiten, die kurz nach dem Urknall existierten, zu simulieren. Mit seinen sechs Detektoren hoffen die Wissenschaftler auf große Fortschritte im Verstehen der physikalischen Welt.

Die folgenden Meilensteine zeigen, wie nah die Forscher am CERN bereits diesem Ziel gekommen sind: 1975 begann der erste Beschleuniger seine Arbeit. Elf Jahre später wurde der Prozess der Detektion von einem CERN-Wissenschaftler revolutioniert: Das Betrachten von Fotografien wurde durch ein elektronisches Verfahren ersetzt. 1971 startete der weltweit erste Proton-Proton Beschleuniger. 1983 wurden die W- und Z-Teilchen entdeckt. Der weltweit größte Elektron-Positron Beschleuniger, der LEP, startete 1989. 1995 wurde zum ersten Mal Antimaterie beobachtet. Antiwasserstoff wurde 2002 zum ersten Mal erfolgreich eingefangen. 2004 feierte CERN seinen 50. Geburtstag.

Auch für die Erfindung des World Wide Web durch Tim Berners-Lee ist das CERN bekannt. Die ursprüngliche Intention des Erfinders war es, die riesigen anfallenden Datenmengen der Detektoren der Beschleuniger zu verteilen. Die rapide ansteigenden Datenmengen des LHC benötigen ein neues Verteilerkonzept, darum wird am CERN an der Entwicklung des World Wide Grid geforscht, das eines Tages den Nachfolger des WWW darstellen könnte. Aber dieses war eigentlich nur ein zufällig entstandenes Nebenprodukt während der Forschung zum Ursprung der Masse.

 

Das – noch nicht fertiggestellte – Standardmodell

Was ist Masse? Die erste Antwort auf diese Frage erwähnte Newton bereits 1687. Er sagte, dass die Masse das Produkt aus Volumen und Dichte sei. Doch in den letzten Jahren versuchen Forscher nicht mehr nur zu erklären, wie etwas funktioniert, sondern besonders warum. Die Grundlage der Teilchenpyhsik, von der wir die Lösung auf alle diese Fragen erhoffen, ist das Standardmodell. Im Gegensatz zu einem Atom sind die Teilchen, die dort aufgelistet sind, nicht mehr aus noch kleineren Teilchen aufgebaut - sie sind elementar. In dem Universum existieren 16 verschiedene Elementarteilchen, bzw. 17, wenn man das noch inoffizielle Higgs-Boson mitzählt. Forscher vermuten, dass dieses Teilchen den anderen Elementarteilchen die Masse gibt.

Wie auf dem Bild zu sehen ist, unterscheidet man zwischen Quarks und Leptonen. Unsere Welt ist aus der ersten Familie der Fermionen aufgebaut: Das Up- und Down-Quark, aus welchen z.B. Atomkerne sind, das Elektron, welches gemäß dem Bohrschen-Atommodell um den Atomkern kreist und das Elektron-Neutrino, welches z.B. im radioaktiven Beta-Zerfall eine Rolle spielt. Es gibt jedoch noch zwei weitere Familien mit ähnlichen Teilchen, die zweite ist nur schwerer als die erste und die dritte ist sogar noch schwerer als die zweite. Die letzten beiden Familien sind jedoch so instabil, dass sie sofort in Elementarteilchen der ersten Familie zerfallen. Außerdem ist die Masse des Top-Quarks ca. 50 000 mal so groß wie die des Up-Quarks. Folglich interagieren die Teilchen alle höchst unterschiedlich mit dem Higgs-Boson. Andere Eigenschaften sind die elektrische Ladung und die Farbladung. Diese nutzt man, um eine andere, zentrale Komponente des Standardmodells zu beschreiben und vorauszusagen: die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Es gibt vier verschiedene Kräfte in diesem Modell, die schwache und die starke Kraft, die Gravitation und die elektromagnetische Kraft. Abgesehen von der Gravitation, nutzen die Forscher vier weitere Teilchen, Bosonen genannt, um den Ursprung der Wechselwirkungen zu klären. Gluonen verursachen die starke Kraft, die z.B. Quarks zu einem Atomkern zusammenhält. Das Z- und W-Boson tauschen die schwache Wechselwirkung aus und das Photon die elektromagnetische Wechselwirkung, wie z.B. Licht oder andere elektromagnetische Wellen. Diese vier Teilchen haben keine Masse und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Wie bereits erwähnt, haben diese Teilchen verschiedene Eigenschaften. Während all der Messungen und der Identifikation der Teilchen nutzen Wissenschaftler am CERN diesen Vorteil.

 

Detektoren – die Augen der Physiker

Um diese Vorteile nutzen zu können, benötigen die Wissenschaftler einzelne Teilchen, welche ausschließlich mit großem Energieaufwand gewonnen werden können. Es wird so viel Energie verwendet, dass der LHC die Umgebung in der Zeit direkt nach dem Urknall simulieren kann. Zu diesem Zweck werden zwei Teilchenstrahlen mit unglaublicher Kraft in entgegengesetzter Richtung beschleunigt und zur Kollision gebracht, so dass diese in andere Teilchen zerfallen. In diesen Spaltprodukten erhoffen sich die Teilchenphysiker das Higgs-Boson zu finden. Es ist ein sehr unstabiles Teilchen, das nahezu sofort wieder zerfällt. Jedoch gibt es nur einige wenige mögliche Kombinationen, in welche Teilchen es zerfallen kann. Aus diesen können die Physiker nun die An- oder Abwesenheit des Higgs ableiten.

Sie müssen bei jeder Kollision alle Teilchen identifizieren, die entstanden sind. Für diese Aufgabe setzen sie Detektoren ein, die viele verschiedene Teile haben und so alle einen gewissen Teil zur Rekonstruktion der Kollision beitragen. Aus dem Kollisionspunkt heraus fliegen die Teilchen durch einen inneren Bereich, der die Bahn der elektrisch geladenen Teilchen abbilden. Der nächste Teil ist das elektromagnetische Kalorimeter, das Elektronen und Photonen auffängt. Hadronen werden erst im nächsten Teil, dem hadronischen Kalorimeter, absorbiert. Myonen sind die einzigen Teilchen, die alle Kalorimeter durchfliegen und ein Signal in den Myonenkammern hinterlassen.

Auf dem Bild ist ein elektrisch geladenes Teilchen im ersten Segment des Detektors zu sehen. Sowohl im elektromagnetischen, als auch dem hadronischen Kalorimeter verursacht es ein Signal, aber passiert sie trotzdem. Schließlich hinterlässt es auch ein Signal in den Myonenkammern. Aus diesem Grund muss es ein Myon sein.

 

Dies ist nur ein Beispiel für das, womit wir uns beim Particle Physics Masterclasses Workshop beschäftigt haben. Wir empfehlen den Workshop stark als eine einzigartige Erfahrung für Schüler und laden euch ein, an den Physics Masterclasses teilzunehmen. Aufgrund der vielen Institute in Europa wird höchstwahrscheinlich eine Masterclass in eurer Nähe stattfinden. Mehr Informationen können auf der Website des Programmes gefunden werden: www.physicsmasterclasses.org

 

Katrin Kröger (16), Isabel Zhang (17), Nick Pawlowski (17) und Lars Berscheid (14), haben die Physics Masterclasses in Dresden am 1. März 2010 besucht. Wir sind alle Schüler des 11. Jahrgangs am Sächsichen Landesgymnasium Sankt Afra zu Meißen, Deutschland.

 

Bibliography

 

Iconography

 


Katrin Kröger, Isabel Zhang, Lars Berscheid, Nick Pawlowski :: 25/09/2010 :: Pageviews: 17558