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WG-Schüler bei Masterclass Teilchenphysik

27.06.2017

Am Montag, dem 12.06.17, haben sich acht WG-Schüler im Rahmen einer Masterclass intensiv mit dem Thema der Teilchenphysik beschäftigt. Der Workshop fand in Kooperation mit dem Netzwerk Teilchenwelt an der Hoffmann-von-Fallersleben-Schule statt.

Um 8.00 Uhr haben sich die Schüler Carolin Röper, Marlene Ziegler, Maximilian Goldapp, Thorben Comes, Lukas Wos, Nam To, Jan-Lucca Mauch und Tobias Wallner an der HvF getroffen. Zeitweise wurden wir auch von unseren Lehrern Herrn Bielenberg und Herrn Gemmer begleitet. Im Rahmen einer kurzen Einführung wurden wir von der Schulleiterin der HvF herzlich willkommen geheißen und mit dem Ablauf vertraut gemacht.

Zunächst wurden wir Teilnehmer dann in zwei Gruppen aufgeteilt. Schüler, die bereits an einer solchen Masterclass teilgenommen hatten, gaben den beiden Gruppen mithilfe einer Präsentation und eines Kartenspiels, das die verschiedenen Elementarteilchen vorstellte, das nötige Rüstzeug für den Tag an die Hand. Da sie im Schulunterricht nicht behandelt werden, waren die Eigenschaften und das Auftreten von Teilchen wie Quarks, Myonen und Bosonen den meisten unbekannt. Anhand von Masse, Ladung und Entstehung konnten wir diese Teilchen sortieren und unterscheiden. Darüber hinaus haben wir auch zwei der wichtigsten Forschungsmethoden der Teilchenphysik kennengelernt: Streuversuche, wie z. B. das Doppelspaltexperiment, und Kollisionsversuche, wie sie in Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden. Spannend war dabei, dass unter verschiedenen Versuchsaufbauten bei der Kollision von Elementarteilchen völlig neue Teilchen entstehen oder aber in Energie umgewandelt werden können. Auch haben wir gelernt, was es mit der rätselhaften Antimaterie auf sich hat. Völlig neu war uns die Idee, dass Wechselwirkungen zwischen Massen, vor allem Kräfte, nicht teilchenfrei verlaufen, sondern durch Austauschteilchen übermittelt werden, die teilweise nur für Zeiträume von wenigen Nanosekunden existierten.

Selbst tätig werden konnten wir beim Experimentieren mit Nebelkammern. Dazu haben wir Glaskästen, in denen sich in reinen Alkohol (100% Isopropanol) getränkte Schwämme befanden, auf Metallplatten aufgebaut und abgedichtet. Mithilfe von Trockeneis, also festem Kohlenstoffdioxid, ist es uns gelungen, diese Metallplatten auf etwa -60 °C herunter zu kühlen. In dem entstehenden Nebel konnten wir tatsächlich die Spuren von Elementarteilchen sichtbar machen.

Ein weiterer großer Programmpunkt war ein Vortrag über Teilchenbeschleuniger. Herr Dr. Hoffmann vom Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg gab uns einen Einblick in seine Arbeit und führte uns in das Grundprinzip von Teilchenbeschleunigern ein, wie sie in der Teilchen-, Astro- und Quantenphysik weltweit, z. B. am CERN, verwendet werden.

Wichtig für die Arbeit mit Teilchenbeschleunigern sind Detektoren, mit denen die entstandenen Teilchen auch identifiziert werden können. Ein solcher Detektor ist der ATLAS-Detektor, dessen Funktionsweise wir uns mithilfe von Infovideos in Kleingruppen erarbeitet haben. In verschiedenen Schichten überprüft er die Teilchen auf Ladung, Masse und Energie, sodass man mit den Daten aus den einzelnen Schichten des Detektors herausfinden kann, welche Teilchen bei einer Kollision entstanden sind und wie viel Energie im Spiel war.

Beim Auswerten solcher Detektor-Daten helfen verschiedene Computer-Programme. Eines davon durften wir selbst ausprobieren. Dazu wurden wir kurz in das Programm eingeführt und haben eine kleine Übung damit absolviert, um die Visualisierung der Daten richtig interpretieren zu können und die Teilchen richtig zuzuordnen. Dann konnten wir uns in Zweiergruppen selbst an die Arbeit machen. Jedes Team bekam einen Datensatz mit Ergebnissen von echten Kollisionsexperimenten direkt vom CERN und konnte das Gelernte beim Identifizieren von Elektronen, Positronen, Myonen, Antimyonen sowie Bosonen und Neutrinos anwenden. Dabei waren verschiedene Parameter, wie z. B. die Ladung der Teilchen, die Orientierung der Flugbahnen und die fehlende Energie, die auf Neutrinos hinwies, zu beachten. Unser Ziel war es, das sogenannte Higgs-Boson zu finden, dessen Existenz erst vor wenigen Jahren am CERN nachgewiesen worden war. In einer Tabelle haben wir die identifizierten Teilchen vermerkt.

Nachdem wir uns in der Pause mit leckerem Schokoladeneis gestärkt hatten, das vor unseren Augen mithilfe von flüssigem Stickstoff hergestellt worden war, ging es an die graphische Auswertung der Ergebnisse aus den CERN-Daten. Unsere Daten wurden in einer Tabelle und einem Histogramm am Smartboard dargestellt und diskutiert. Eine verdächtige Anomalie, die wir bei einer bestimmten Teilchenkonstellation mit einer Flugbahn in einem bestimmten Winkelbereich ausmachen konnten, wies darauf hin, dass wir tatsächlich das Higgs-Boson nachgewiesen haben!

Nicht nur dieses zufriedenstellende Ergebnis hat dafür gesorgt, dass wir den mit Aktivitäten vollgeladenen Tag sehr genossen haben. Die hilfreiche Einführung hat uns gut eingestimmt in dieses eher fremde Thema. Spätestens beim praktischen Experimentieren konnten wir uns dann voll einlassen auf diese spannende Welt der kleinsten Bestandteile unseres Kosmos. Auch die lockere Atmosphäre im Physiktrakt der HvF hat uns gut gefallen. Das Arbeiten mit echten Daten vom CERN war natürlich eine tolle Gelegenheit, die einem nicht nur nicht jeden Tag geboten wird, sondern auch einfach viel Spaß macht. Diese alternative Herangehensweise an physikalische Fragestellungen und die selbst über unsere Leistungskurse hinausgehende Thematik hat uns so gut gefallen, dass wir uns vorstellen könnten, im nächsten Jahr selbst eine solche Masterclass am WG auszurichten.

Tobias Wallner

 

 

Fotos: T. Wallner

 

 

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