Projektübersicht "Netzwerk Teilchenwelt"

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1 Prjektübersicht "Netzwerk Teilchenwelt" Fachinfrmatin der Öffentlichkeit durch Aufbau und nachhaltige Etablierung eines Netzwerks zwischen Wissenschaftlern, jungen Menschen und Jugendprjektleitern als Multiplikatren für die Vermittlung aktueller Frschung mit dem Ziel der gemeinsamen Erkundung der kleinsten Teilchen und der Entstehung des Universums in direktem Kntakt zum CERN Prf. Dr. Michael Kbel Institut für Kern- und Teilchenphysik Technische Universität Dresden Prjektleiter/innen Junge Frscher/innen Stufen: Frschungs- Mitarbeit Mitarbeit an Frschungseinrichtungen (5 / Jahr) Mitarbeit an Frschungseinrichtungen (10 / Jahr) Vertiefungs- Prgramm vertiefte Schulung am CERN insb im Bereich Experimente für Jugendliche ( 50 /Jahr) 2-tägige Wrkshps der Prjektwchen am CERN (100 / Jahr) Durchführung eigener Qualifizierungs- Prjekte mit Jugendlichen, wie Prgramm - natinale Masterclasses - Experimente mit ksmischer Strahlung (50 / Jahr, 200 als Bestand) aktive Teilchenwelt Mitarbeit - Masterclass Tutr/in - Experimentatr/in (100 / Jahr, 200 als Bestand) Basisprgramm Teilnahme an einführenden Veranstaltungen insbesndere den Prjektleitertagen der Internatinal Masterclasses (400 / Jahr) Teilnahme an natinalen der internatinalen Masterclasses (6 000 / Jahr) 1

2 1. Einleitung Die Frschung an den fundamentalen naturwissenschaftlichen Fragen über den Aufbau unserer Welt, den fundamentalen Bausteinen, der Art, der Funktinsweise und der Ursache der Kräfte zwischen ihnen, der Entstehung und der weiteren Entwicklung des Universums fasziniert die Menschheit seit tausenden vn Jahren. Die dabei in den letzten 100 Jahren erlangten Erkenntnisse stellen einen Meilenstein der menschlichen Kultur dar, da sie tiefe Einblicke in die faszinierende Schönheit der diesem Universum zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten bieten. Mit den mdernen hchenergetischen Teilchenbeschleunigern und der präzisen Untersuchung der Wechselwirkung ksmischer Strahlen auf der Erde ist es möglich gewrden, Przesse nachzustellen und zu vermessen, wie sie nur eine Piksekunde nach dem Urknall stattgefunden haben. Der gerade am CERN in Betrieb gehende Large Hadrn Cllider, die "Weltmaschine" LHC wird als das weltgrößte Frschungsgerät mehrere zentrale ffene Fragen der Entstehung des Universums und seiner Gesetze untersuchen. Er wird u.a. klären, b die Masse der Elementarteilchen, deren Spektrum überhaupt erst die Bildung vn Sternen und Planeten und die Entstehung vn Leben möglich gemacht haben, wirklich auf ein überall vrhandenes Higgsfeld zurückzuführen ist, und b die bisher gefundenen Symmetrien, die allen Kräften zugrunde liegen, durch eine s genannte Supersymmetrie zwischen Bausteinteilchen und Kraftteilchen ergänzt werden muss, die möglicherweise auch die dunkle Materie im Weltall erklärt. Weitere Untersuchungsthemen sind das Verschwinden der Antimaterie, die Untersuchung der Ursuppe aus Quarks und Glunen, und die Frage, b es nch weitere zusätzliche Raumdimensinen gibt. Bereits der Vrgänger des LHC am CERN, der Large Electrn Psitrn Cllider LEP, der vn 1989 bis 2000 im selben 27 km langen Tunnel installiert war, hat die theretische Weltsicht der Teilchenphysiker, die im s genannten Standardmdell zusammengefasst ist, eindrucksvll experimentell bestätigt. Insbesndere die Vermessung vn insgesamt 17 Millinen Z-Teilchen und 80 Tausend W-Teilchen, die Bten der schwachen Kraft, knnte die theretischen Vrhersagen der elektrschwachen Symmetrie mit einer experimentellen Präzisin vn besser als ein Prmille überprüfen. Darunter waren s zentrale Messungen wie die Anzahl vn 3 Familien vn Bausteinteilchen, die knsistente Vrhersage der Masse des W-Teilchens, die Bestätigung der Universalität der 3 Leptnfamilien und ihrer Kpplungsstärken in Z- und W-Zerfällen, swie die Bestätigung der Therie der starken Kraft einschließlich ihrer Farbladungen. Auch die Messung ksmischer Teilchen (Prtnen, Atmkerne, Gammas, Neutrins) mit mdernen Astrteilchenphysik-Experimenten wie Auger, H.E.S.S., MAGIC, CTA, IceCube, KM3Net haben in den letzten Jahren und Jahrzehnten neue Fenster in das Universum eröffnet. Dabei geht es u.a. um das Verständnis der Przesse in der Snne, in galaktischen und extragalaktischen Objekten wie Supernvae, Blazaren, Pulsaren, aktiven galaktischen Kernen und in der Umgebung schwarzer Löcher. Knkrete Bedeutung für das irdische Leben erlangen die ksmischen Strahlen über ihre Wirkung auf den menschlichen Organismus bei Langstreckenflügen und Weltraummissinen, auf elektrnische Systeme vn Satelliten und auf der Erde und auf die Entstehung vn Blitzen in Gewittern. Ksmische Strahlung ist außerdem ein möglicher Katalysatr bei der Entstehung rganischer Mleküle und bei der Entwicklung neuer Spezies durch Mutatin. 2

3 Die fundamentale Grundlagenfrschung beschäftigt sich mit Fragestellungen, die der dem menschlichen Wesen innewhnenden Neugier zur Erkundung des Universums entspringen. Die Fachinfrmatin der Öffentlichkeit ist daher ein integraler und unverzichtbarer Bestandteil dieser Frschung, um die Ergebnisse der Suche nach den Prinzipien, die die Welt "im Innersten zusammenhalten", swie die sich daraus entwickelnden neuen, tiefer gehenden Fragen als Kulturgut allen zugänglich zu machen. Die dadurch entstehende Transparenz der Fragestellungen und Methden trägt außerdem zu besserem Verständnis und zu größerer Akzeptanz der aktuellen wissenschaftlichen Frschung in der Öffentlichkeit bei. Das Ziel dieses Prjekts der TU Dresden in Zusammenarbeit mit allen deutschen Frschungsinstituten der (Astr-)Teilchenphysik und dem CERN geht aber sgar nch deutlich über die pure Fachinfrmatin hinaus: Junge Menschen sllen im "Netzwerk Teilchenwelt" die Gelegenheit erhalten, gemeinsam mit Wissenschaftlern und Jugendprjektleitern als Multiplikatren eigene nachhaltige und authentische Erfahrungen mit realen experimentellen Daten aus den ben genannten Feldern zu machen. Durch diesen frühen und direkten Kntakt zur Grundlagenfrschung sll eigenes Nachdenken über naturwissenschaftliche Themen und die Rlle der naturwissenschaftlichen Frschung in der Gesellschaft angeregt werden, swie das eigene Interesse an diesen Themen gefördert werden. Die Betätigung der Jugendlichen als junge Frscher/innen beeinflusst in vielen Fällen ihre Studien- und Berufswahl und trägt s zur Nachwuchssicherung der Physik und Naturwissenschaften bei. Dazu eignet sich kaum ein Feld besser als die Teilchen- und Astrteilchenphysik, da hier die fundamentalen Fragen nach dem Wher und Whin des Universums, nach den elementaren Bausteinen und Kräften, swie nach den vereinheitlichten Grundprinzipien und symmetrien der Naturgesetze gestellt werden. Ausgehend vn diesen Prinzipien existieren viele Kntexte zu naturwissenschaftlichen und nicht-naturwissenschaftlichen Themen, die im Netzwerk ebenfalls behandelt werden können. Die in der Teilchen- und Astrteilchenphysik bereits vielfältig vrhandenen Prjekte mit jungen Menschen und die Vernetzung der Wissenschaftler/innen bieten ideale Vraussetzungen für den Aufbau und die Umsetzung des Netzwerks. 2. Knzept und Zielgruppen Das "Netzwerk Teilchenwelt" sll in 4 Vertiefungsstufen flächendeckend in Deutschland aufgebaut werden, wbei vrhandene Synergien mit bereits existierenden Aktivitäten beim Aufbau genutzt werden sllen. Es sll dabei eine pyramidenförmige Struktur der Teilnehmerzahlen vn breitem Basisprgramm bis zu intensiver Mitarbeit Einzelner in den Frschungsgruppen realisiert werden (siehe Grafik auf der Titelseite). Die flgenden vier Vertiefungsstufen sind im Detail in Kapitel 4 beschrieben: i. Basisprgramm zur Einführung in die Themen des Netzwerks ii. Qualifizierungsprgramm für die Mitgliedschaft im Netzwerk iii. Vertiefungsprgramm am CERN als Schulung, Praktikum der Wrkshp iv. Frschungsmitarbeit vn einzelnen Persnen 3

4 Zentrale Zielgruppen sind junge Frscher/innen im Alter vn Jahren. Als Multiplikatren sind vr allem Leiter vn wissenschaftlichen Prjekten mit Jugendlichen die Zielgruppe, aber auch Autren vn wissenschaftlichen Artikeln der Büchern für Jugendliche. Zu den Prjektleitern zählen z.b. Leiter vn Arbeitsgruppen der Prjekttagen an Schulen, Leiter vn Wrkshps für Jugendliche in Museen, Science Centern der Schülerlabren der andere Leiter vn Jugendgruppen im privaten der öffentlichen Bereich. 3. Zentrale Elemente und Synergien mit bestehenden Aktivitäten 3.1. Masterclasses der Teilchenphysik Die Basis des gesamten Netzwerks bilden neben den bestehenden internatinalen "Masterclasses Hands n Particle Physics" die neu zu etablierenden natinalen "Teilchenphysik Masterclasses", die flächendeckend Jugendliche in ganz Deutschland erreichen sllen. Bei den Teilchenphysik Masterclasses analysieren junge Frscherinnen und Frscher echte Daten vn internatinalen Grßexperimenten der Teilchenphysik und diskutieren ihre Ergebnisse untereinander und mit Wissenschaftlern. Ohne dass spezielle Vrkenntnisse nötig wären, lernen sie drt in Vrträgen der aktiven Wissenschaftler die grundlegenden Knzepte der Teilchenphysik, bevr sie selbst daran gehen, in riginalen Detektraufnahmen Elementarteilchen zu identifizieren und fundamentale Messungen durchzuführen. Diese beinhalten die in der Einleitung erwähnten Untersuchungen vn Z- und W-Zerfällen aus Daten des LEP Beschleunigers, und die daraus ableitbare Bestätigung der Universalität der 3 Leptnfamilien swie die Messung der Zahl der Farbladungen und der Kpplungsstärke der starken Kraft. In den letzten Jahren kamen dazu nch verstärkt erste Studien vn Simulatinen der Physik am neuen LHC Beschleuniger des CERN. Die Ziele der Masterclasses sind Wecken vn Begeisterung und Interesse an grundlegenden Fragestellungen der mdernen Physik bei Jährigen Selbständiges Einarbeiten in die Methden und Fragestellungen der Teilchenphysik mit Hilfe echter Daten der Experimente des CERN und Einblick in die Arbeitsweise vn grßen internatinalen Frscherkllabratinen Möglichkeit zum persönlichen Kntakt und Diskussin mit Wissenschaftlern Ausblick auf die Bedeutung der mdernen Physik für unser Weltbild Fachinfrmatin über die Entstehung des Universums, die fundamentalen Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen Bestehende Aktivität: Internatinale Masterclasses Die Internatinalen Masterclasses Hands n Particle Physics werden unter der zentralen Leitung des Antragsstellers, Michael Kbel, im Rahmen der Eurpean Particle Physics Outreach Grup EPPOG seit 5 Jahren für ein Netzwerk vn über 80 Instituten und Frschungseinrichtungen in 23 Ländern einmal jährlich in einer 2½ wöchigen gemeinsamen Blckveranstaltung ausgerichtet. Weltweit besuchen dabei jedes Jahr über 5000 Schülerinnen und Schüler und ca. 200 Lehrkräfte für jeweils einen Tag die Frschungseinrichtungen. In Deutschland nahmen in 2009 an 14 Orten ca. 700 Schüler/innen und 50 Lehrkräfte an diesem internatinalen Prgramm teil. 4

5 Geplante Neuerung: Natinale Teilchenphysik Masterclasses Mit Hilfe des Netzwerks Teilchenwelt sllen weit mehr junge Menschen in Deutschland die Gelegenheit erhalten, an den nachgewiesen erflgreichen Masterclasses teilnehmen zu können. Dazu sll ein flächendeckendes Angebt für Leiter vn Jugendprjekten entstehen, natinale Teilchenphysik Masterclasses im Rahmen vn Prjekttagen, Prjektwchen, Arbeitsgemeinschaften etc. an ihren Einrichtungen (Schulen der außerschulische Lernrte) durchzuführen. Der direkte Kntakt zu Wissenschaftler/inne/n wird dabei durch Dktrand/inn/en der deutschen (Astr-)Teilchenphysik Frschungsinstitute gesichert. Sie halten die einführenden Vrträge und betreuen die Veranstaltung vr Ort gemeinsam mit den Prjektleitern und erfahreneren Jugendlichen aus dem Qualifizierungs- der Vertiefungsprgramm. S kmmt eine weitaus höhere Anzahl vn jungen Menschen als bisher mit diesem Prgramm in Kntakt, und es dient als Einstieg in die aktive Mitarbeit im "Netzwerk Teilchenwelt" Vr-Ort Erfahrungen am CERN in Genf Bestehende Aktivitäten: Lehrerfrtbildungen und Schülerbesuche Seit über zehn Jahren führt CERN internatinale Lehrerfrtbildungen durch, seit 2007 auch natinale Prgramme in deutscher Sprache. Diese Prgramme vn einer (natinal) bzw. drei (internatinal) Wchen Dauer haben sehr eindrucksvll gezeigt, wie wichtig es ist, Bildungsmultiplikatren an ein Frschungsinstitut zu hlen und sie drt direkt mit aktueller Frschung und insbesndere den Frschung in Kntakt zu bringen. Aus den mehreren hundert Teilnehmern bisher hat sich ein sehr aktives Netzwerk vn interessierten Lehrkräften gebildet, das eine gute Eigendynamik entwickelt hat. Die Teilnehmer stehen über einen regen -austausch miteinander in Kntakt, entwickeln swhl ihr am CERN erwrbenes Wissen, als auch dessen Vermittlung an Jugendliche in den jeweiligen Ländern weiter, verbreiten es unter sich und teilen es mit ihren Klleginnen und Kllegen, die (nch) nicht an einer slchen Veranstaltung teilgenmmen haben. Ziel der existierenden Frtbildungswchen am CERN ist es, den Bildungsmultiplikatren durch gezielte Vrlesungen, Praktika, Besuche und Diskussinsveranstaltungen mderne Physik, insbesndere die CERN-Frschungsgebiete, und die Arbeitswelt der Frscher im internatinalen Rahmen näherzubringen und sie an der Begeisterung der Physiker für die Grundlagenfrschung teilhaben zu lassen. Im Bereich der Besuche bei CERN nehmen Besuche vn Schulklassen einen grßen Raum ein. Gerade bei den Besuchen vn Jugendlichen aus Deutschland zeigt sich, dass der Besuch einen bleibenden Eindruck hinterlässt und bereits einige junge Nachwuchswissenschaftler/innen nach dem und wegen des Besuchs ein Physikstudium begnnen haben. Seit 2008 gibt es am CERN Erfahrungen mit jungen deutschen Praktikanten, die entweder in Gruppen der einzeln Zeit am Institut verbringen. Dies reicht vm Über-die-Schulter-Schauen bis zur direkten Mitarbeit in Ingenieurs- und Frschungsgruppen mit eigenen kleinen Prjekten. Letztere tragen erheblich zur Orientierung der Jugendlichen für eine anstehende Studien- der Berufswahl bei. 5

6 Geplante Neuerungen: Schulungen für Prjektleiter, Wrkshps und Prjektwchen für Jugendliche Für das Netzwerk Teilchenwelt ergibt sich durch eigene Schulungen für die Jugendprjektleiter des Netzwerks am CERN die Möglichkeit, mit dem Netzwerk der CERN-Lehrerprgramm-Alumni in Kntakt zu kmmen und Synergien zu nutzen. Insbesndere die deutschen Alumni sind geradezu prädestiniert, vn Anfang an im Netzwerk Teilchenwelt mitzuarbeiten und die Jugendprjektleiter des Netzwerks an ihren Erfahrungen teilhaben zu lassen. Die authentische Umgebung am CERN, die Gelegenheit zur Vr-Ort Besichtigung der Experimente und vr allem die fast unbegrenzte Möglichkeit zur Diskussin mit Wissenschaftlern werden die Prjektleiter befähigen, in ihren zukünftigen Prjekten ihre vertieften fachlichen Kenntnisse und ihre Faszinatin an die Jugendlichen weiterzugeben. Zwei-tägige Wrkshps am CERN im Rahmen des Netzwerks werden eine grße Mtivatin für die jugendlichen Mitglieder des Netzwerks im Vertiefungsprgramm bilden und die in den vrhergehenden Stufen erwrbenen Kenntnisse durch neue Eindrücke erweitern und vertiefen. Bei diesen Veranstaltungen sll neben Vrträgen und Diskussinen mit Wissenschaftlern die "live"- Erfahrung an den CERN Experimenten im Vrdergrund stehen. Außer Vr-Ort Besichtigungen der Experimente sind hier u.a. vertiefende Messungen an echten Daten der LHC Experimente geplant, die über die natinalen und internatinalen Masterclasses hinausgehen. Erste für Jugendliche geeignete Prgrammpakete mit Optinen zu vertiefter Analyse (AMELIA, HYPATIA, OGRE) sind für das ATLAS Experiment bereits in Entwicklung und/der Erprbung. Für besnders engagierte Jugendliche sll über die 2-tägigen Wrkshps hinaus auch Möglichkeiten für ganze Prjektwchen am CERN geschaffen werden, in denen sie in den Ingenieurs- und/der Frschungsgruppen zu Gast sind, und aktiv mit eigenen kleinen Prjekten in deren Arbeit eingebunden werden Entwicklung vn Begleit- und Kntextmaterialien Um junge Menschen und Prjektleiter gezielt auf die Prjekte des Netzwerks vrzubereiten und dessen Nachbereitung zu unterstützen, ist die Knzeptin vn Begleit- und Kntextmaterialien ntwendig. Mit Hilfe dieser Materialien können die Teilnehmer/innen des Prgramms miteinander der im Selbststudium die Grundlagen der Teilchenphysik und Ksmlgie kennenlernen der weiter vertiefen. Ziel ist es, das Interesse vn jungen Menschen an naturwissenschaftlicher Grundlagenfrschung zu wecken. Insbesndere ist es dabei wichtig, die (Astr-)Teilchenphysik im Kntext einer Vielzahl anderer naturwissenschaftlicher Themen (Radiaktivität, elektrische und magnetische Felder, Astrnmie...) der z.b. für medizinische Anwendungen aufzuzeigen Bestehende Materialien Durch die Unterstützung des BMBF knnte zwar im Rahmen der Ausstellung "Weltmaschine" eine Brschüre erstellt werden, die die Materialien des CERN der auch die KET Brschüre ergänzt, jedch sind diese Materialien nicht für die im Netzwerk Teilchenwelt dminierende Zielgruppe vn Jährigen verfasst, sndern wenden sich allgemein an die interessierte Öffentlichkeit. 6

7 Geplante Neuentwicklungen Die speziell für das Netzwerk zu entwickelnden Begleit- und Kntextmaterialien sllen vielseitig einsetzbar sein. Für die Teilnehmer/innen der Masterclasses sllen vr allem Materialien zur Nachbereitung und zum vertieften Einstieg und Mitarbeit beim Netzwerk Teilchenwelt entstehen. Für die in einer Ausbaustufe des Netzwerks verstärkt geplanten Experimente zur Messung ksmischer Teilchen sllen in Zusammenarbeit mit den beteiligten Instituten Arbeitsblätter erstellt werden, die das selbstständige Arbeiten der Teilnehmer/innen unterstützen sllen. Weiterhin sll eine Sammlung relevanter Experimente zur Teilchenphysik entstehen, die vn den Jugendprjektleitern auch außerhalb der Veranstaltungen des Netzwerks mit den Jugendlichen durchführbar sind (z.b. Selbstbau einer Nebelkammer). Die Schulung der Jugendprjektleiter zum Bau dieser Experimente und dem Einsatz der Begleit- und Kntextmaterialien findet insbesndere im Vertiefungsprgramm am CERN statt Wissenschaftliche Überprüfung der Zielerreichung Die durch das Netzwerk Teilchenphysik angestrebten Ziele sind überaus bedeutsam im Bereich der sg. scientific literacy für die Gruppe der Heranwachsenden als auch perspektivisch für das naturwissenschaftliche Verständnis einer breiten Öffentlichkeit. Im Bereich des CERN sind durch zahlreiche Lehrerfrtbildungen und Besuche vn Schülergruppen bereits gute Erflge in der Verbreitung vn Wissen und Kenntnissen über Fragestellungen in der Elementarteilchenphysik erzielt wrden. Über die Wirksamkeit dieser Maßnahmen gibt es jedch neben einzelnen mündlichen Berichten kaum systematische Auswertungen im Hinblick auf langfristige Effekte. Auch die fachlichen Erkenntnisgewinne der Teilnehmer wurden nicht erfasst. Daher sll zur Optimierung der geplanten Maßnahmen und Materialien eine wissenschaftliche Begleitung initiiert werden. In einem ersten Schritt läuft bereits seit Juli 2009 eine vn der Prfessur Didaktik der Physik mitbetreute Wlfgang-Gentner Dktrarbeit am CERN zum Thema "Masterclass upgrade für den LHC", in der eine neue Knzeptin entwickelt und erprbt wird. Ein stärker auf Evaluatin zielendes Vrhaben würde die zahlreichen Prjekte hervrragend ergänzen und bereichern. Insbesndere sll die Wirksamkeit der knkreten Maßnahmen zum einen auf die langfristige Interessensentwicklung der beteiligten Jugendlichen und zum anderen auf ihre Einstellung zu mderner Naturwissenschaft und Technik swie physikalischer Grundlagenfrschung analysiert werden. Neben den Masterclasses und Vr-Ort-Kursen mit den damit verbundenen direkten Kntakten und Diskussinsmöglichkeiten mit Wissenschaftler/inne/n, einem zentralen Element des Netzwerks Teilchenwelt, liegt hierbei besnderes Augenmerk auf der Rezeptin der Begleit- und Kntextmaterialien, damit sie ihrer Funktin im Selbststudium gerecht werden können und zugleich das Erreichen der Ziele des Netzwerks Teilchenwelt sichergestellt werden kann 7

8 3.5. Ergänzung und Ausbau des Netzwerks Alle Stufen vn der Qualifizierung über Vertiefung bis zur Frschungsmitarbeit lassen sich thematisch leicht ergänzen und ausbauen. Sinnvlle Zielrichtungen einer nächsten Ausbaustufe des Netzwerks sind Prjekte im Bereich Astrteilchenphysik, Astrphysik und Astrnmie Eigene Messungen ksmischer Strahlung (Abhängigkeit vm Zenithwinkel, vn der Absrberdicke, vm Luftdruck, Messung der Geschwindigkeit und der Lebensdauer vn Mynen, Messung vn Luftschauern, etc.) Astrteilchenphysik und Astrnmie als verschiedene Bebachtungsfenster des Universums Ksmische Beschleuniger für Elementarteilchen im Vergleich zum LHC Abschirmung ksmischer Teilchen durch das Erdmagnetfeld, Entstehung vn Nrd- und Südlicht an den Plen Prjekte im IT-Bereich statistische Methden zur Auswertung der Daten Entwicklung vn Prgrammen zur Datennahme und -Auswertung mit mdernen Prgrammiersprachen, wie z.b. Pythn und C++ Entwicklung vn Animatinen und Grafiken zur Darstellung physikalischer Effekte (z.b. Phteffekt, Cerenkv-Effekt, Szintillatin usw.) Prjekte im Bereich Medizinphysik Strahlenbelastung durch ksmische Teilchen, Einfluss vn Snnenflares auf Organismen In einigen deutschen Instituten, zuvrderst DESY (Zeuthen und Hamburg) aber auch Karlsruhe, Wuppertal, Göttingen, Erlangen, Mainz, Heidelberg und Würzburg, wird die Messung ksmischer Strahlung teilweise in Verbindung mit den anderen ben genannten Themen bereits heute mit jungen Menschen durchgeführt. Diese bestehenden Prjekte sllen schn jetzt s weit wie möglich in das Qualifizierungsprgramm des Netzwerks Teilchenwelt eingebunden werden. Mit der heute vrhandenen Infrastruktur kann die Messung ksmischer Strahlung dabei aber leider nur einem kleinen Teil der Jugendlichen und Prjektleiter in der Qualifizierungsphase des Netzwerks Teilchenwelt angebten werden. Eine zweite Ausbaustufe des Netzwerks in Bezug auf die Messung ksmischer Strahlung ist daher wünschenswert, besnders weil hier die Jugendlichen Gelegenheit hätten - im Gegensatz zu den Masterclasses - ihre Daten selbst "live" aufzunehmen. Durch Kperatin der Uni Göttingen mit PHYWE könnte zudem die Nachhaltigkeit durch kmmerzielle Verbreitung der Entwicklungen vn Mess- und Ausleseapparaturen sichergestellt werden. 8

9 3.6. Übersicht über bestehende Aktivitäten Internatinale Masterclasses Hands n Particle Physics Natinale und internatinale Leitung : Prf. Dr. Michael Kbel, TU Dresden Ausführung: 80 Frschungsinstitute (davn 14 deutsche) in 23 Ländern mit vn Wissenschaftlern mderierter internatinaler Videknferenz: derzeit: 5000 Schüler/innen / Jahr, davn derzeit ca 700 aus Deutschland - "Rent-a-Scientist" Prgramm Um direkten Kntakt mit jungen Menschen zu etablieren, können Wissenschaftler der Teilchenphysik zu Vrträgen an Schulen und Schülerlabren (z.b. XLAB in Göttingen) eingeladen werden u.v.a.m. Lehrerfrtbildungen zur Teilchenphysik in Deutschland Erfahrungen an vielen Instituten, z.t. im Rahmen der Masterclasses (Bnn, Berlin, DESY, Dresden, Göttingen, Karlsruhe, Würzburg etc.) - (Berlin) - Deutschsprachige Lehrerfrtbildungen am CERN Leitung : Dr. Rlf Landua und Dr. Sascha Schmeling, CERN Ausführung: Deutsche Wissenschaftler am CERN derzeit: 100 deutsche Lehrkräfte / Jahr - Staatsexamensarbeiten über Schulmaterialien zur Teilchenphysik Bereits vrhanden: Berlin, Bnn, Erlangen, Karlsruhe, Mainz, Würzburg, - und_lernmdule/ - Messung ksmischer Strahlung bei DESY in Frm vn Prjekttagen (ca 20 Schüler/innen pr Jahr) Praktika (ca 10 Schüler/innen pr Jahr) Besndere Lernleistungen (bisher 9 Schüler/innen) Leitung: Dr. Michael Walter, Adelheid Smmer, DESY in Zeuthen swie Dr. Axel Lindner, Dr. Philipp Bechtle, Karen Ong, DESY in Hamburg Kamikannen zur Messung ksmischer Strahlung Verfügbar an 80 Schulen und Schülerlabren in Frschungseinrichtungen Krdinatin: Prf. Thmas Trefzger, Uni Würzburg Außerschulische Prjektarbeiten an mehreren Instituten, z.b. BeLLs bei DESY in Zeuthen (bisher 9) und TU Dresden, preisgekrönt: Myndetektren (2007), Neutrinpendel (2008)

10 4. Struktur der vier Vertiefungsstufen des Netzwerks Teilchenwelt Die in 3) erwähnten bestehenden Aktivitäten werden durch neue Elemente s ergänzt, dass ein khärentes Prgramm entsteht, das in verschiedenen Tiefen durchlaufen werden kann Basisprgramm Ziel ist, in der Breite in eintägigen Veranstaltungen möglichst vielen jungen Frscher/innen Gelegenheit zu Messungen an realen experimentellen Daten der Teilchenphysik mit direktem Kntakt zu Wissenschaftlern zu verschaffen und an einem Prjektleitertag möglichst vielen Multiplikatren grundlegendes Wissen für die Behandlung der faszinierenden Thematik der mdernen Teilchenphysik mit Jugendlichen zu vermitteln. Die Elemente des Basisprgramms sind: Natinale Masterclasses für junge Menschen dezentral an möglichst vielen Bildungs- und Jugendeinrichtungen, mit bis zu 200 Veranstaltungen/Jahr. Diese Zahl wird erreicht, wenn mittelfristig vn 100 Jugendprjektleitern als Organisatren - mit Hilfe vn 200 Jugendlichen als Tutren in ihrer Qualifizierungs- der Mitgliedsphase - jährlich je Prjektleiter zwei Natinale Masterclasses mit je ca 30 Jugendlichen ausgerichtet werden. Direkter Kntakt zu den Wissenschaftlern erflgt dabei über die Anwesenheit einer/s Prmvierenden einer nahe gelegenen Universität, die die Veranstaltung gemeinsam mit dem Jugendprjektleiter durchführt, den einführenden Vrtrag hält, und für Fragen und Diskussin zu Verfügung steht. Im ersten Jahr sllen mit Prjektleitern aus ca. 10 Prjektleitertagen und aktiver Unterstützung vn Dktrand/inn/en 40 lkale Masterclasses an den lkalen Einrichtungen etabliert werden. Nach 3 Jahren sind nach genügendem Aufbau des Mitgliederbestandes im Netzwerk Teilchenwelt die vlle Anzahl vn 200 lkalen Masterclasses möglich. Prjektleitertage im Rahmen der Internatinal Masterclasses ausgerichtet vn Wissenschaftern an den beteiligten Instituten, u.a. durch DESY, HU Berlin, TU Dresden, Uni Göttingen, Uni Würzburg, ausbaubar auf ca 15 Standrte in Deutschland. An diesen Prjektleitertagen mit typ Teilnehmer/inne/n führen die zukünftigen Organisatren zunächst selbst das Prgramm der Masterclasses durch. Statt der Teilnahme an einer Videknferenz besteht Gelegenheit zur Diskussin über die lkale Umsetzung der Masterclasses an den Einrichtungen der Teilnehmer Qualifizierungsprgramm Die engagiertesten Teilnehmer/innen der eintägigen Veranstaltungen des Basisprgramms erhalten swhl auf der Seite der Jugendlichen als auch auf Prjektleiterseite die Gelegenheit, sich durch eigene Aktivitäten als Mitglieder für das Netzwerk Teilchenwelt zu qualifizieren und damit zu Multiplikatren des Prgramms zu werden. Die aktive Zeit als jugendliches Mitglied des Netzwerks beträgt 1-2 Jahre, für die Mitarbeit als Prjektleiter werden mindestens 4 Jahre angesetzt. Sie ist nicht nach ben beschränkt. 10

11 Die Elemente des Qualifizierungsprgramms sind: Durchführung eigener Veranstaltungen der Prjektleiter Unter den jährlich bis zu 400 Teilnehmer/innen der Prjektleitertage erhalten jeweils besnders engagierte Teilnehmer/innen besndere Unterstützung aus dem Netzwerk. Sie besitzen die nötigen Kenntnisse, um unter fachlicher Beratung vn Wissenschaftlern und Didaktikern und mit Hilfe der zentralen Organisatin des Netzwerks eigene Prjekte an ihren Einrichtungen durchzuführen. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern und Jugendlichen als Tutren etablieren sie das lkale flächendeckende Prgramm der Natinalen Masterclasses. Vereinzelt im Rahmen der derzeitigen sehr begrenzten Möglichkeiten können auch Experimente im Bereich der Messung ksmischer Strahlung durchgeführt werden. Tätigkeit als Multiplikatren der Frschungsvermittlung Alternativ kann ebenfalls die Tätigkeit als Multiplikatr der Vermittlung aktueller Frschungsthemen der Teilchenphysik zur Qualifizierung als Mitglied im Netzwerk führen, z.b. als Fachbetreuer der Physik der Autr vn wissenschaftlichen Artikeln der Büchern für Jugendliche, wenn dadurch Kenntnisse über die im Basisprgramm des Netzwerks vermittelten Inhalte der Teilchenphysik der über die Durchführung flächendeckender Natinaler Masterclasses der Teilchenphysik verbreitet werden. Betreuung vn Natinalen Masterclasses als Tutr/in Aus den in Deutschland stattfindenden Internatinalen und Natinalen Masterclasses mit bis zu 6000 angestrebten Teilnehmer/innen sllen jährlich ca. 100 Jugendliche gewnnen werden, die als Tutr/innen bei späteren Masterclasses die neu teilnehmenden Jugendlichen betreuen. Mit dieser aktiven Tätigkeit qualifizieren sie sich als Mitglied des Netzwerks Teilchenwelt und prfitieren vm Angebt des Vertiefungsprgramms für Mitglieder des Netzwerks. Durchführung eigener Prjekte im Bereich (Astr-)Teilchenphysik Alternativ können eigene Prjekte vn Jugendlichen im Bereich (Astr-) Teilchenphysik ebenfalls als Qualifizierung für das Netzwerk Teilchenwelt anerkannt werden und zur Mitgliedschaft im Netzwerk führen. Beispiele hierfür sind Prjektarbeiten im Bereich ksmischer Strahlung, Arbeiten in "Jugend Frscht", der ähnliche Aktivitäten, wenn sie mit einem ausfrmulierten Bericht, Web- der Vrtrags-Präsentatin abgeschlssen werden Vertiefungsprgramm als Mitglied im Netzwerk Teilchenwelt Das zentrale Angebt für Mitglieder des Netzwerks im Rahmen des Vertiefungsprgramms besteht insbesndere in Vr-Ort Erfahrungen am CERN in Genf, wie bereits sie in Kapitel dargestellt sind. Vertiefte Schulungen für Prjektleiter am CERN ausgerichtet durch Wissenschaftler und Krdinatren der derzeitigen deutschsprachigen Lehrerfrtbildungen am CERN. Prjektleiter erhalten die Möglichkeit zur Teilnahme an vertieften einwöchigen Schulungs-Aufenthalten am CERN über Experimente zu Teilchenphysik und Ksmischer Strahlung swie über in Prjekten mit Jugendlichen einsetzbare Kntextund Begleit-Materialien. 11

12 Mehrtägige Wrkshps am CERN Jedes jugendliche Mitglied des Netzwerks Teilchenwelt erhält die Gelegenheit zur Teilnahme an einem 2-tägigen Wrkshp am CERN in Genf mit ausführlichen Besichtigungs- und Gesprächsmöglichkeiten mit Wissenschaftler/innen. Gleiches gilt für Multiplikatren der Frschungsvermittlung wie Fachbetreuer der Autren vn wissenschaftlichen Artikeln der Büchern für Jugendliche. Bei den Wrkshps sll insbesndere auch Gelegenheit gegeben werden, mit Hilfe geeigneter Prgrammpakete selbst über das Prgramm der Masterclasses hinaus gehende Messungen mit den Daten der LHC Experimente durchzuführen. Prjektwchen am CERN Für jährlich ca 10 besnders interessierte Jugendliche sind 14-tägige vertiefte Prjektwchen am CERN möglich. Entweder in Gruppen der einzeln reichen die Aktivitäten dabei vm Über-die-Schulter-Schauen bis zur direkten Mitarbeit in Ingenieurs- und Frschungsgruppen mit eigenen kleinen Prjekten Frschungsmitarbeit Besnders engagierte Mitglieder des Netzwerks Teilchenwelt erhalten die Möglichkeit zu Mitarbeit in einer Frschungsgruppe in Deutschland. Für einige wenige besnders engagierte Prjektleiter (5 / Jahr) sll die Gelegenheit eines Frschungsjahres an Universitäten und Frschungseinrichtungen zur aktiven Mitarbeit an Experimenten zur Teilchenphysik geschaffen werden. Herausragendes Engagement vn jugendlichen Mitgliedern des Netzwerks Teilchenwelt (ca 10/ Jahr) kann in Zusammenarbeit mit nahegelegenen Frschungsinstituten zu einem Angebt für ein Frschungspraktikum führen. Die Möglichkeiten der Frschungsmitarbeit sind: Gelegenheit eines Frschungsjahres für Prjektleiter an Universitäten und Frschungseinrichtungen zur aktiven Mitarbeit an Experimenten zur Teilchenphysik. Die Mdalitäten (Stundenzahl als Abrdnung, Frschungspraktikum, etc) richten sich dabei nach den Randbedingungen der jeweiligen Einrichtung des Prjektleiters, die im Nrmalfall die Ksten dafür trägt. Die authentischen Frschungserfahrungen des Prjektleiters können und sllen danach gewinnbringend bei der weiteren Tätigkeit des Prjektleiters in seiner Einrichtung genutzt werden können. Vermehrte Angebte zu Praktika und Prjektarbeiten für herausragend geeignete jugendliche Mitglieder des Netzwerks an Universitäten und Frschungseinrichtungen. Besnders am DESY in Zeuthen ist dies derzeit bereits umgesetzt, aber auch einige Universitäten bieten slche Angebte, die im Rahmen des Netzwerks ausgebaut werden sllen. Die Betreuung sll u.a. auch durch junge Wissenschaftler/-innen gegen ein mnatliches Hnrar erflgen. 12

13 5. Besndere Beachtung des Interesses vn Mädchen Zur besnderen Steigerung des Interesses vn Mädchen und jungen Frauen an der mdernen physikalischen Frschung wird darauf geachtet werden, dass ein grßer Anteil vn Wissenschaftlerinnen bei der Durchführung des Prgramms beteiligt ist. Dies betrifft insbesndere Vrtragende und Tutrinnen der natinalen und internatinalen Masterclasses, Mderatrinnen der Videknferenzen bei den internatinalen Masterclasses als auch Betreuende der Experimente zu ksmischer Strahlung. Die Wissenschaftlerinnen haben dabei Vrbildcharakter und stehen während der Veranstaltungen auch zu persönlichen Gesprächen mit den jungen Nachwuchsfrschrinnen zur Verfügung. Dieses Knzept wurde bereits bei den bisherigen "Internatinal Masterclasses und den am DESY durchgeführten Experimenten zur Ksmischen Strahlung erflgreich erprbt. Im Jahr 2008 waren 6 vn 8, in 2009 waren 4 vn 9 Mderatren der internatinalen Masterclasses junge Wissenschaftlerinnen. Mehrjährige Erfahrungen und die in Physics Educatin veröffentlichte wissenschaftliche Evaluatin der Masterclasses haben gezeigt, dass es bei der Durchführung der Messungen und der Gesamtbeurteilung des Prgramms keinerlei Unterschiede zwischen weiblichen und männlichen Jugendlichen gibt. Der Erflg liegt möglicherweise darin begründet, dass hier Mädchen und Jungen gleichermaßen das erste Mal in direktem Kntakt zur mdernen Physik kmmen, und dies gemeinsam in Zweiergruppen sehr erflgreich miteinander erleben. 6. Organisatinsstruktur und geplante Zusammenarbeiten: 6.1. Organisatin Eine Anschubförderungsperide vn 3 Jahren erlaubt den Aufbau eines genügend grßen Netzwerks vn Jugendlichen und Prjektleitern, swie eine flächendeckende Etablierung des Basisprgramms in Deutschland, s dass danach die Vrbereitung einer nachhaltigen Verstetigung mit wesentlich weniger Mitteln beginnen kann. Die Organisatinsstruktur sll umgekehrt zur pyramidenförmigen Teilnehmerstruktur baumartig vm zentral rganisierten Basisprgramm bis zur weit verzweigten lkal rganisierten Frschungsmitarbeit wachsen. Den Stamm bildet eine zentrale Krdinatin an der TU Dresden, w bereits die internatinalen Masterclasses krdiniert werden. Hier ist Erfahrung vrhanden, die als Basisprgramm dienenden Natinalen Masterclasses und Prjektleitertage der Internatinalen Masterclasses zu krdinieren. Die Gesamtleitung durch Prf. Michael Kbel, TU Dresden sll dabei ergänzt werden durch wissenschaftliche Zielkntrlle und Untersuchung der Nachhaltigkeit des Netzwerks durch die Prfessrin für Didaktik der Physik der TU Dresden, Gesche Pspiech, swie Auftragsvergabe für die Erstellung vn Kntext- und Begleitmaterialien an Prf. Dr. Thmas Trefzger, Uni Würzburg. Die Zweige der baumartigen Organisatin bilden alle deutschen Institute, an denen Frschung in Teilchenphysik und Astrteilchenphysik stattfindet. Davn sind bereits 14 an den internatinalen Masterclasses beteiligt. Diese Zahl kann nch auf bis zu 20 erhöht werden. Vn drt sllen die Dktrand/inn/en kmmen, die die neuen Natinalen Teilchenphysik Masterclasses zusammen mit den Prjektleitern flächendeckend in Deutschland durchführen sllen. Auch die 13

14 Frschungsmitarbeit der Jugendlichen und Prjektleiter sll hier angesiedelt werden. Einige der Institute werden sich im Rahmen der drt begrenzt vrhandenen Infrastruktur auch am alternativen Qualifizierungsprgramm über die Messung ksmischer Strahlung beteiligen (z.b.desy, Erlangen, Göttingen, Heidelberg, Karlsruhe, Mainz, Würzburg, Wuppertal). Weitere Institute sind an einem Aufbau vn slchen Aktivitäten interessiert (z.b. Aachen, Tübingen). Ein Ausbau des Bereichs ksmischer Strahlung wäre in einer nächsten Förderstufe daher sehr wünschenswert Zusammenarbeit mit anderen Stellen Das Netzwerk Teilchenwelt sll ein Piltprjekt für ein nch breiteres Spektrum vn "Lernwelten der Physik" bilden, die entstehen sllen in Zusammenarbeit mit - Deutsche Physikalische Gesellschaft - Lenkungsausschuss und Kuratrium "Welt der Physik" Im Rahmen vn "Welt der Physik" sll die gesamte Website des Netzwerks inklusive nline-registrierung, Veranstaltungskalender und Dkumentatin entstehen. Dafür fallen Ksten an für Investitinen für die Erweiterung des Servers swie für Persnal für den redaktinellen Aufbau und die Pflege der neuen Plattfrm der "Lernwelten der Physik" innerhalb vn "Welt der Physik". 6.3 Aufnahme vn Mitgliedern in das Netzwerk Teilchenwelt Die Gesamtkrdinatin des Netzwerks liegt in Dresden, w auch über die Aufnahme der Mitglieder des Netzwerks entschieden wird. Es ist geplant, in 2010: 40 junge Frscher/innen und 25 Prjektleiter/innen in 2011: 70 junge Frscher/innen und 50 Prjektleiter/innen ab 2012 jährlich: 100 junge Frscher/innen und 50 Prjektleiter/innen in das Netzwerk aufzunehmen. Nach der Teilnahme am Basisprgramm der Masterclasses, die nch keine Aufnahme ins Netzwerk bedeutet, qualifizieren sich junge Frscher/innen für die Aufnahme als Mitglied des Netzwerks über eigene Tätigkeiten als Tutr/in in weiteren Masterclasses der über Abschlussarbeiten eigener Prjekte. Alle aufgenmmenen Jugendlichen erhalten dann die Möglichkeit eines 2-tägigen Wrkshps am CERN, den 10 Engagiertesten unter ihnen werden 2-wöchige Prjektaufenthalte am CERN angebten. Sie verbleiben im Mittel 2 Jahre im Netzwerk, s dass ein dauerhafter Bestand vn 200 jungen Frscher/innen als Mitglieder des Netzwerks zu erwarten ist. Leiter vn Prjekten für Jugendliche qualifizieren sich für die Aufnahme im Netzwerk über die Durchführung vn Prjekten wie Masterclasses der Messung ksmischer Strahlung an ihren eigenen Einrichtungen. Sie erhalten nach der Aufnahme die Möglichkeit zu einer einwöchigen vertieften Schulung am CERN, swie weitgehende didaktische Beratung für eine mögliche weitere Behandlung der Themengebiete des Netzwerks. Prjektleiter verbleiben möglichst langfristig im Netzwerk. Ein dauerhafter Bestand vn über 200 Prjektleitern im Netzwerk wird angestrebt. 14