El Erlebnis Forschung

Transkript

1 El Erlebnis Forschung mit authentischen Daten Daten des CERN in der Schule Michael Kobel, TU Dresden WE-Heraeus-Arbeitstreffen 2010 Moderne Physik in der Schule

2 Der Large Hadron Collider LHC am CERN ~8 km CERN Hauptgelände SPS Beschleuniger CERN- Prevessin Frankreich Schweiz LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

3 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Protonenergie: 7TeV Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: o spu 0.03 mm Durchmesser Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

4 Bilder vom LHC CERN visit - Introduction page 10 Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

5 Der ATLAS Detektor im Aufbau Beginn 2004 Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

6 Der ATLAS Detektor im Aufbau Absenkung und Montage der Muon-Toroid Magnetspulen Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

7 Der ATLAS Detektor 2007/08 Montage des Spurkammersystemes Und der Kalorimeter Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

8 Der ATLAS Detektor 2008 Letzter t Schritt: Installation der Muon- Endkappen Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

9 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

10 Erste Kollisionen bei 2,36 TeV am Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

11 Ziele der Teilchenphysik Warum? Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

12 Raum Zeit Materie ENERGIE ist der Schlüssel Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

13 Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

14 Die Teilchen des Standardmodells 12 Bausteine und ihre Antiteilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen (WW) Gravitation, Elektromagnetismus, schwache, starke WW Produzieren, binden und vernichten Teilchen mit Hilfe des Austauschs von Botenteilchen Graviton, Photon, W- und Z-Boson, Gluonen Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 14

15 Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend /unischule/baust/bs_6fram_lv123.html Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

16 Fundamentale Kräfte Jede Kraft (Wechselwirkung) hat eigene Botenteilchen Boten nur sendbar, wenn entsprechende Ladung vorhanden Kraft Botenteilchen Ladung der Materieteilchen Starke Kernkraft Gluonen g Starke Farb -Ladung Rot, Blau, Grün Schwache Weakonen (W +,W -,Z) Schwache Isospin -Ladung Kraft 1/2 I 3W = 1/2 Elektromagnetismus Photonen Elektrische Ladung Q = -1, + ⅔, -⅓, e Schwerkraft Gravitonen? Masse? Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

17 Was ist Ladung? Ladung ist kein Stoff! beschreibt die Sensitivität von Teilchen bezüglich der jeweiligen Wechselwirkung Eigenschaften: Ladungen sind Additiv Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladung vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

18 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Vorzeichen von allen Ladungen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können sie sich paarweise wieder zu Botenteilchen ( Energie ) vernichten m Z 2E e Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

19 Eine epochale Erkenntnis Eichsymmetrien Erkenntnis : Ladungen beschreiben Sensitivität von Teilchen bzgl. bestimmter Umeichungen Ladungserhaltung folgt aus Invarianz bezüglich dieser Umeichungen ( Eichsymmetrie ) Umeichungen sind sogar lokal (an jedem Ort und zu jeder Zeit anders) möglich Die lokale Eichsymmetrie wird durch Aufnahme oder Abgabe von Eichteilchen garantiert Diese Eichteilchen sind die Botenteilchen der Wechselwirkungen? Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

20 Eindeutige Vorhersagen Ursache jeder Wechselwirkung: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen Vertices Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices z.b. Beta zerfall des Neutrons Zeit Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

21 Beispiele offener theoretische Fragen 3 Familien von Elementarteilchen Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum dann drei? Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien Beispiel: Symmetrie der starken Farb ladung im Neutron Gluonen sorgen für Symmetrie und binden die Quarks Warum diese Symmetrien? Weitere Symmetrien? z.b: Supersymmetrie SUSY zwischen Baustein- und Botenteilchen? Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 21

22 Dresdner Theorie-Beiträge: Prof. D. Stöckinger Existieren Supersymmetrische Teilchen? Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen: - Vereinigung aller Kopplungen - Einbindung der Gravitation - Relativ niedrige Higgs Masse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = 23% unseres Universums? = Dunkle Materie (ca 3000/m 3 )? Entdeckung bei LHC möglich! Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 22

23 ev/c²) Masse (M Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Sandkorn.vs. Ozeandampfer ; natürliche Top Masse? , ,01 0,001 0,0001 0, , E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E , ? 2 0,5 90 0, , x10 5 2x Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino Familie Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 23

24 Die Bedeutung der Teilchenmassen Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von m u,m d oder m e hätte kaum Effekt auf Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige m e auf MeV/c 2 Leben: 30m große Riesenwesen auf Titan? Erniedrige m d m e um 1 MeV/c 2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige m d m u um 2 MeV/c 2 d Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, u p n W - e - e Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 24

25 Animation: Was wäre wenn Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: Download: : Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. / t t/rmp/ 1 R.N. Cahn, The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life (1996) V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model (1997) C. Hogan, Why the Universe is Just So (1999) Th Damour und JFD J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007) Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 25

26 Leeres Leeres Vakuum Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit Was ist Masse? Higgshintergundfeld Teilchen werden d. Wechselwirkung mit dem Higgsfeld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab Higgs-Teilchen quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts! Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 26

27 Mechanische Analogie zur Higgs Produktion Luft (~ Higgsfeld) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft Objekte hoher h Masse erzeugen Anregung im Higgsfeld = Higgs-Teilchen Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 27

28 Higgs Suche bei ATLAS und CMS Higgs Masse unbekannt: Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche Zerfälle Nach 1-3 Jahren gut verstandener Daten (ab 2013) Higgs Boson kann bei allen Massen entdeckt werden Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 28

29 Das Masterclass Konzept Internationale Masterclasses hands on particle physics der European Particle Physics Outreach Group (EPPOG) ( In D nun integriert im Basisprogramm des Netzwerk Teilchenwelt ) Grundidee aus UK (1997) Ziel Schüler/innen (15-19 Jahre) verbringen 1 Tag an Forschungsinstitut hören Vorträge von Wissenschaftlern, die Teilchenphysik erklären arbeiten wie Wissenschaftler mit echten Daten vom CERN Keine Vorkenntnisse nötig! Kontakt mit den aktuellen Fragen der Grundlagenforschung Erfolgserlebnisse mit eigenen Messungen und Interpretationen Nachvollziehen des wissenschaftlichen Forschungsprozesses Stimulation des Interesses für Naturwissenschaft Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

30 Die internationalen EPPOG masterclasses Erzeuge internationale Kollaboration von Schülern Vernetze weltweit Institute (jeweils Schülern pro Tag) Seit 2005: jährlich innerhalb 3 Wochen im März Über 80 Institute in 23 Ländern Über 6000 Schüler/innen Abschluss: internationale ti Videokonferenz in englischer Sprache Diskussion der Ergebnisse Kombination (verbessere Genauigkeit) it) Quiz und Preise Fragen an Wissenschaftler am CERN Agenda, Daten, Hintergrundmaterial, Beschreibung aller Institute: Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

31 Beteiligung EPPOG international ti masterclasses Länder Institute US (Quarknet) Brazil South Africa Teilnehmer 31

32 Vorträge Messungen Sammeln der Ergebnisse Lokale Analyse Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

33 Final video conference: combination of results Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

34 Physikalischer Inhalt bisher : e - e + Vernichtung im Large age Elektron Positron Collider am CERN Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

35 Messung: Z Zerfälle Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x10-25 s (!) in andere Teilchen um e + e - Z 0 Z 0 Z 0 Zeit Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

36 Zerfallskanäle Löcher entsprechen Zerfallskanälen Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer Eigenschaften der Löcher (Größe) Zerfallsdauer Eigenschaften der Teilchen ( Kopplung ans Z) Verhältnis der Austrittsmengen Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallshäufigkeiten (nur ZÄHLEN!) Größenvergleich der Kopplungen Z 0 Lernziel / selbstständige Interpretation: Schlußfolgerungen ü.vergleich der Häufigkeiten Aufgabe für nach der Kaffeepause! Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

37 Erlernen von Teilchenidentifikation Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks ( Hadronen ) elektr. geladen / ungeladen leicht / schwer Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 37

38 Detektorverhalten Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung 38

39 Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press escape to exit

40 Confinement (Wagner, Uni Karlsruhe) Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 40

41 Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e p 800 GeV Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef 41

42 Z0 Zerfall in ein Tau Antitau Paar Z0 Zerfall in ein Elektron Positron Paar Z0 Zerfall in ein Myon Antimyon Paar Z0 Zerfall in ein Quark Antiquark Paar (aus denen Jets entstehen) Ereignisbilder eines LEP-Experimentes 1000 solcher Ereignisse werden von den Schülern (100 je Gruppe) analysiert und kategorisiert

43 Evaluation internat. Masterclasses 2007 Physics education 42 (6), 2007, S Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

44 Korrelationen mit Verständnis wiss. Methoden Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

45 Neu in D: Netzwerk Teilchenwelt Vorhanden seit 2005: Internationale Masterclasses : Schüler kommen an 16 Institute =16 Veranstaltungen jew. im März Aufbau seit 2010: Netzwerk Teilchenwelt Junge Wissenschaftler aus 22 Instituten gehen an Schulen, Schülerlabore, Ziel: > 200 Veranstaltungen / Jahr

46 Idee Jugendliche und Lehrkräfte begeistern über nachhaltige und authentische Lehr-, Lern- und Forschungserfahrungen g mit realen experimentellen Daten direkten Kontakt mit Wissenschaftlern Erlebnis Grundlagenforschung als Kulturgut und Erkenntnisgewinn Aktuelle Forschung methodisch thematisch

47 Konzeptionelle Struktur Netzwerk Teilchenwelt 4 Vertiefungsstufen Basisprogramm zur Einführung in die Themen Qualifizierungsprogramm für die Mitgliedschaft Vertiefungsprogramm am CERN Forschungsmitarbeit an den Instituten 4 Zentrale Elemente Flächendeckende lokale Projekte (Teilchenwelt- Masterclasses und kosmische Strahlung) Vor-Ort Erfahrung am CERN Entwicklung von Kontextmaterialien Wissenschaftliche Zielkontrolle Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

48 Projektübersicht Netzwerk Teilchenwelt Lehrkräfte Projektarbeiten in den Forschungsgruppen Neue Aktivitäten am CERN, unterstützt von Project Associates Neue lokale Aktivitäten, unterstützt von jungen Wissenschaftler/inne/n (Teilnehmer/innen / Jahr)

49 Basisprogramm: Teilchenwelt-Masterclasses Mobiles Schülerlabor Doktorand/inn/en gehen an Schulen und außerschulische Lernorte bringen die Originaldaten der CERN Experimente mit halten einen Einführungsvortrag über Teilchenphysik leiten die Messungen und Diskussion i der Ergebnisse an zusammen mit Lehrkräften und/oder Jugendlichen aus Qualif.-Programm Halb- Ganztagesveranstaltung (4-6 Stunden) Ohne Videokonferenz Bisher mit Daten des LEP Ab 2011 auch Messungen mit aktuellen Daten des LHC Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

50 Messungen mit LHC Daten Drei der 4 Experimente vertreten: ATLAS, CMS(?), ALICE Messungen zum Aufbau des Protons aus 3 Quarks Suche nach neuen Teilchen (wie z.b. Higgs, Z ) Suche nach neuen Materiezuständen (z.b. Quark-Gluon Plasma) Aktuelle Forschung im Klassenzimmer ATLAS Messung: Gentner Doktorarbeit K. Jende (CERN) Supervised by: Uta Bilow (Helmholtz, DD), Gesche Pospiech (Didaktik, DD), M.K. (DD) Schüler analysieren 1000 Ereignisse ( je Gruppe) W-Messung: elektrische Ladung W+ / W- klassifiziert die Quarks im Proton (uud) Simulierte H W+W- Z- Messung: Invariante Masse Simulierte Z` lep-lep Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

51 Qualifizierungsprogramm Qualifikation als Netzwerk-Mitglied über Weiterverbreitung der eigenen Erfahrungen bzw. des Programms Tutor/in bei anderen Masterclasses (Jugendliche) Dokumentation / Projektarbeiten / Vortrag (Jugendliche) Veranstaltungsorganisation (Lehrkräfte) Beispiel: Cosmic Lab am DESY in Zeuthen Themen Ø Rate kosmischer Teilchen (Winkel, Luftdruck, Tageszeit) Ø ausgedehnte Luftschauer d. kosmische Strahlung Ø Lebensdauer des Myons Methoden Eigenst. Experimentieren Daten über Webinterface Abschlusspräsentationen der Jugendlichen Projektarbeiten Poster, Webseiten Kamiokannen-Exp Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef Cosmic Trigger Hodoskop

52 Vor-Ort Workshops am CERN Erste Workshops Lehrkräfte: cern ch/conferenceotherviews py? view=standard&confid=93313 Schüler: py view=standard&confid= Ziel: Faszinierende Erfahrungen live Erlebnisse und Besichtigungen Vorträge von und Diskussionen mit Wissenschaftlern Vertiefte eigene Messungen und Detektorbau Jugendliche: Informationen über Berufsbild Lehrkräfte: Einbindung in den Unterricht Kontextmaterialien Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

53 Mitarbeit an Forschungsinstituten Schüler (4 laufend) Besondere Lernleistungen / 5. Abi-Prüfungskomponente Püf Projekte mit kosmischer Strahlung Erstellung der Datensätze für LHC masterclasses Lehrkräfte (geplant) Teilabordnungen Didaktische Zielkontrolle (DD) Entwicklung von Kontextmaterialien (WÜ) Forschungsjahre, gj Freistellungen Abstimmung d.programminhalte auf neue Forschungsergebnisse (LHC) Mitarbeit an Tests von Detektor(weiter)entwicklungen Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

54 Inhaltliche Charakteristika Herausforderungen Teilchenphysik in Schulcurricula zu wenig vertreten Suche nach Antworten auf noch nie selbst gestellte Fragen Basisprogramm: Vielzahl neuer Begriffe in kürzester Zeit Basisprogramm: Aufgabenstellung vorgegeben Grundlagenforschung g ohne offensichtlichen Alltagsbezug g Antworten Für alle ähnliche (niedrige) Vorkenntnisse Authentischer Zugang zu Prozessen kurz nach dem Urknall Neugier auf unbekannte Teilchenwelt, individuelle Vertiefung Vielfältige Fragen entstehen während der Messungen Grundlagenforschung als Kulturgut und intellektueller Gewinn Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

55 Organisation Netzwerk Teilchenwelt als Mobiles Schülerlabor Bereitstellen von Plug and Play Materialien Berücksichtigen von Lokalen Unterschieden der 22 Standorte Treffen (u.a.: Vermittler (Doktoranden) zum Trainung / Erfahrungsaustausch Beteiligte (finanziert vom Projekt) Projektleitung: M.Kobel (DD) Zentrale Koordination: Anne Glück (DD) Kontaktpersonen und Vermittler an jedem Standort Vor-Ort Workshops: Martin Hawner->N.N. (CERN, mit Sascha Schmeling) Kontextmaterialien: Christoph Ilgner->N.N. (WÜ, bei Th.Trefzger) Webauftritt: Sven Sommer (Weltderphysik, PT DESY) Zielkontrolle: Kerstin Gedigk (DD, Promotion bei G.Pospiech, Didaktik, DD) Synergie mit internationalen Masterclasses Zentrale Koordination: Uta Bilow (DD) LHC Materialien: Konrad Jende (DD, Gentner-Promotion CERN) European Particle Physics Outreach Groupp EPPOG Und natürlich das Netzwerk: erk Jugendliche, Lehrkräfte an Schulen, Schülerlaboren (Bochum), Michael Kobel, Moderne Physik in der Schule, Bad Honnef

56 Stand des Netzwerk Teilchenwelt (nach ½ Jahr) Durchführung Alle Vertiefungsstufen laufen bereits, alle Standorte haben Teams Insgesamt bereits 75 (meist Doktorand/inn/en) als Vermittler Derzeit ca. 6-8 Masterclasses / Monat (Ziel: 15-20) Großes Interesse bei Schulen, obwohl noch nicht breit bekannt Erste Weiterbildung für Vermittler bei Lernwelten 2010 (DESY) Networking Forum NTW auf Facebook Gruppe auf Schüler-VZ Zugriffe (09/2010) auf e e

57 Mehr Informationen unter Abonierbarer Newsletter Danke für Ihre Aufmerksamkeit!