Begabten-AG Teilchenphysik

"Die großen Fortschritte in der Wissenschaft beruhen oft, vielleicht stets, darauf, dass man eine zuvor nicht gestellte Frage doch, und zwar mit Erfolg, stellt."

 Carl Friedrich von Weizsäcker

Beschreibung der Arbeitsgemeinschaft Teilchenphysik

Die Arbeitsgemeinschaft „Teilchenphysik“ wird am AMG regelmäßig alle zwei Jahre ange­boten. Hier treffen sich Schülerinnen und Schüler der Kursstufe, die sich über den Unterrichtsstoff hinaus für moderne Physik interessieren und nun wirklich wissen wollen, „was die Welt im Innersten zusammenhält“.

Es geht um die fundamentalen Elementarteilchen auf der Ebene der Quarks und der Leptonen, ihre Eigenschaften und Wechselwirkungen, das Standardmodell der Physik und die damit verbundenen ganz grundsätzlichen Fragestellungen der modernen Physik im unfassbar Kleinen und im kosmisch Großen.

Kontakte zu Forschern und Wissenschaftlern und Besichtigungen fundamentaler Experimente vor Ort sind ein wichtiger Teil der AG-Programmes.

Und alle zwei Jahre machen wir uns am AMG dann erneut daran, das Higgs-Teilchen nachzuweisen – aus Originaldaten des weltgrößten Teilchenbeschleunigers LHC und seines gigantischen Detektors ATLAS.

Kooperationspartner

Eingebettet in das Begabtenförderungsprogramm des Regierungspräsidiums Karlsruhe gibt es mehrere Kooperationspartner:

  • das KIT
  • das im Campus Nord angesiedelte Institut für Kernphysik (IKP)
  • das masterclass-Programm des deutschlandweiten „Netzwerkes Teilchenwelt“
  • das europäische Forschungszentrum CERN in Genf

Exkursion nach Genf

Universe of Particles - Besucherzentrum

Die Teilchenphysik-AG in Genf (2018)

Schülerbericht über die Exkursion nach Genf und CERN (2018)

Die Teilchenphysik–AG in Genf

Es war Mittwoch, der 6. Juni 2018, als 16 (nach der Fahrt muss jedoch von 17 gesprochen werden) Teilchenphysikbegeisterte die Fahrt nach Genf zum CERN antraten. Direkt zu Beginn fanden im Zug die ersten Einführungen in diverse Kartenspiele statt, wobei ein gewisses Pferdequartett sich der größten Beliebtheit erfreuen konnte.

Angekommen in Genf begann nach kurzer Pause eine Stadtführung, welche zunächst von der Jugendherberge mit der navette über den See, dann zu Fuß die Unterstadt und schließlich bergauf ins calvinistisch geprägte Altstadtzentrum führte. Das Rathaus mit dem Alabama Saal, in dem 1864 die erste Genfer Konvention unterzeichnet wurde und die Kathedrale St. Pierre, dessen beide Türme natürlich erklommen wurden, bildeten im wahrsten Sinne des Wortes den Höhepunkt des Stadtrundganges. Weiter ging es zur riesigen Reformatorenmauer, bevor dann spannende Schach- und Mühle-Duelle im Park vor der Genfer Universität die Tour für eine Weile unterbrachen. Die Genfer Wasserfontäne, der 140 Meter hohe jet d‘eau, das Wahrzeichen der Stadt, sorgte abschließend für eine Abkühlung der durch die Vielzahl stadtgeschichtlicher Informationen fast rauchenden Köpfe und ganz nebenbei für kurze Berechnungen von Austrittsgeschwindigkeiten und Wurfhöhen.

Der nächste, ganz im Zeichen des CERN stehende Tag wurde von manchen sportlich beim frühmorgendlichen Jogging am Seeufer eingeläutet. Am CERN angekommen sorgte die Führung durch Frau Dr. Neubüser für Erstaunen, wobei das Synchrozyklotron, mit dem Ende der 50er Jahre erstmalig der Pionenzerfall nachgewisesen worden war, als erster Teilchenbeschleuniger sehr beeindruckte. Weitere Stationen waren das LEIR, der kompakte Schwerionenbeschleuniger, und ein Konferenzraum, in dem einerseits die Vielzahl der Experimente des CERN dargestellt wurde, aber auch Platz für Fragen und Zukunftsausblicke blieb. So war allen neu, dass bereits jetzt für den nächsten Ringbeschleuniger mit einem 100 km-Ring im TeV-Bereich, der 2035 in Betrieb gehen soll, geplant wird. Nach einer kurzen Stärkungspause in der CERN-Kantine, inmitten der Gemeinde von Wissenschaftlern aus aller Welt, wurden die beiden Ausstellungen, „microcosmos“ und „Universe of Particles“ besucht. Die dargestellte Technik und die Nachbauten zeigten ebenfalls, welche Leistungen notwendig sind, um Teilchen kollidieren zu lassen und dies gründlich analysieren zu können. Die interaktiv teils hervorragend konzipierten Ausstellungen beeindruckten alle, gaben die Möglichkeit, bislang theoretisch Erarbeitetes anschaulich zugänglich werden zu lassen und führten überdies zufällig zur Begegnung mit einem leidenschaftlich engagierten ehemaligen CERN-Physiker, der 16 Jahre nach seiner Pensionierung immer noch täglich damit beschäftigt ist, seine Begeisterung und sein Wissen zu Teilchenphysik und Kosmologie weiterzugeben.

Am Abend wurde es jedoch Zeit, einmal selbst ein Linearbeschleuniger zu werden! Die experimentelle Anordnung wurde der Situation angepasst: Statt Protonen beschleunigten wir Billardkugeln und auf Driftröhren, elektrische und magnetische Felder verzichteten wir ganz bewusst. Das Prinzip aber war im Grunde gleich, Teilchenstöße wurden unter verschiedensten Winkeln experimentell untersucht, Materie verschwand in schwarzen Löchern und jedes noch so kleine Erfolgserlebnis wurde ausgiebig gewürdigt.

Die erste Hälfte des letzten Tages war mit einer Wanderung auf den Salève, den 1333 Meter hohen Hausberg Genfs, der Wiege des Alpinismus, gefüllt. Es konnte hierbei mehrerlei festgestellt werden: dass man auch zu acht in eine Minigondel passt, dass französische Pferde irgendwie anders aussehen, dass Ledersohlen zwar stilvoll, im Gebirge aber eher unpraktisch sind, dass es nicht überall auf der Welt aussieht wie im Schwarzwald, dass das Wappen Savoyens der Schweizer Fahne nur ähnelt, dass sich Höhenangst angesichts fantastischer Talblicke relativiert, dass Kalkgestein zu spektakulären Höhlenformationen führen kann und dass ein Gruppenpicknick am höchsten Punkt kulinarisch und sozial immer ein Höhepunkt ist.

Am späten Nachmittag machte sich die Gruppe dann auf die Heimfahrt, wobei auch hier wieder Kartenspiele dominierten und das Wissen über Pferderassen und Zuchtsorten enorm vertieft wurde. Darüber hinaus ist jedoch nicht zu vergessen wie, typisch für Experimentalphysiker, die Beschleunigung des Zuges gemessen wurde. Eine genaue Protokollierung der reproduzierbaren Reutersprünge war selbstverständlich gegeben.

Insgesamt war es eine bereichernde, erlebnisreiche und wiederholungswürdige Fahrt, auf der das Interesse für Teilchenphysik bei jedem noch weiter gestärkt wurde!
An dieser Stelle gilt ein großer Dank Herrn Frank als Organisator und Lehrer der Teilchenphysik AG, sowie Herrn Reuter als Begleitperson und Versuchsobjekt.

Simon Großmann

Forschungszentrum CERN

Im CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) arbeiten mehr als 8000 Wissenschaftler aus über 85 Nationen. Es ist eines der größten Zentren für physikalische Grundlagenforschung,
Auf dem Campus befinden sich viele Gebäude mit Laboren, Werkstätten, Rechenzentren und Ausstellungen. In 100 m Tiefe befindet sich ein Teil des Large Hadron Collider (der große Hadronenspeicherring). Er ist ringförmig und hat eine Länge von etwa 27 km. In regelmäßigen Abständen befinden sich weitere fünf Schächte zum Hadronenspeicherring, um Experimente durchzuführen. Dort sind Kollisionspunkte der zu untersuchenden Teilchen (z. B. Protonen oder Blei-Ionen).

Der Synchro-Zyklotron

Mit Gründung des CERN wurde 1952 mit den Planungen des ersten Teilchenbeschleunigers Synchro-Zyklotron begonnen, der 1957 in Betrieb ging.

Der Synchro-Zyklotron
Arbeitsplatz am Synchro-Zyklotron

Linearbeschleuniger (Linac 2)

Der Linearbeschleuniger ist ein ca. 30 m langer linearer Teilchenbeschleuniger. Er ist der Teilchenlieferant für den Large Hadron Collider. 2017 wurde der Linac 2 nach 40 Jahren durch den Linac 4 ersetzt.

Auf dem Schild am Kontrollzentrum steht: Access reserved electrical service - selbst Reinigungspersonal muss draußen bleiben.

Kontrollzentrum
Protonenquelle
Erstbeschleunigung
Linearbeschleuniger

Der Large Hadron Collider (LHC)

Im seinem Inneren sind 9300 Dipolmagnete verbaut. Bei Höchstleistung des LHC rasen Protonen 11 245 Mal pro Sekunde durch die Strahlrohre des LHC-Beschleunigerrings, das entspricht beinahe Lichtgeschwindigkeit.

Im Tunnel
Dipolmagnet
Strahlrohr

ATLAS

ATLAS ist ein Teilchendetektor am Large Hadron Collider.

ATLAS-Kontrollzentrum
Teilchendetektor

Blasenkammern

Blasenkammern waren früher die wichtigsten Teilchendetektoren. 1960 wurde für die Erfindung der Blasenkammern der Physik-Nobelpreis verliehen, heutzutage sind sie für die Forschung bedeutungslos geworden.

Gargamelle von 1970 - 1978
BEBC (Big European Bubble Chamber) von 1971 bis 1984

Rechenzentrum

In CERN müssen riesige Datenmengen erfasst, verwaltet und ausgewertet werden. Aus diesem Grund arbeiten auch sehr viele Informatiker dort.

Das world wide web (www) wurde in CERN unter Verwendung bekannter ähnlicher Konzepte 1989 entwickelt. Eine Nachbildung der ersten Webseite ist unter diesem Link erreichbar:

http://info.cern.ch/hypertext/WWW/TheProject.html

Rechenzentrum

Microcosm

Microcosm ist ein interaktives Museum, dass Einblicke in die wichtigsten Labore des CERN gibt.

Kosmologie
Linearbeschleuniger
Strahlführung
Vor dem Atlas-Detektor
Gasröhrendetektor

masterclass-Programm

Ereignisanalyse
Fertige Ereignisanalyse
"masterclass auf Höhenflug"

Exkursionsbericht

Studiennachmittag am KIT

Am Mittwoch, den 13. Dezember 2017, waren die Schülerinnen und Schüler der Begabten AG „Teilchenphysik“ mit ihren Lehrern, Herrn Frank und Herrn Matz, zu Gast am KIT. Das Institut für Kernphysik (IKP) auf dem Campus Nord in Eggenstein-Leopoldshafen erforscht fundamentale Rätsel der Natur an der Schnittstelle von Kosmologie, Astrophysik und Elementarteilchenphysik. Genau die richtige Adresse also für die Gruppe vom AMG, die sich je zur Hälfte aus Schülerinnen und Schülern der Physik-Neigungskurse 11 und 12 zusammensetzt. Bestens betreut von acht Masterstudenten und Doktoranden unter der organisatorischen Leitung von Dr. Huege und Herr Huber widmete sich die Gruppe drei verschiedenen Themenbereichen.

Zunächst besuchten die Schüler das spektakuläre KATRIN (KArlsruher TRItium Neutrino) - Experiment, mit dem ab Juni die Masse der Neutrinos so exakt wie niemals zuvor bestimmt werden soll. Diese Geisterteilchen des Universums durchdringen, aus dem Weltall kommend, normalerweise in unvorstellbar großer Zahl alle irdische Materie, ohne fassbar zu sein. Das KIT als Standort eines der weltweit nur zwei Tritiumlabore betreibt nun ab Juni an vorderster Front Neutrino-Grundlagenforschung, deren Ergebnisse für die Verfeinerung des Standardmodells der Physik und für die Kosmologie von allen Physikern und natürlich auch der Begabten-AG des AMG mit Spannung erwartet werden. Das riesige Spektrometer, die weltweit stärksten ausgedehnten stabilen starken Magnetfelder und eine komplexe Kryotechnik knapp über dem absoluten Nullpunkt bei ca. -260°C führen zu einem Experiment, das bei allen Besuchern Staunen und Bewunderung hervorrief.

Im zweiten Teil des Besuchsprogramms referierte Thomas Huber über zwei weitere spektakuläre Experimente mit Beteiligung des IKP: Das „Ice-Cube-Neutrino-Observatorium“ am Südpol und das Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa, der größte bisher gebaute Detektor für den Nachweis hochenergetischer Teilchen aus dem Universum. Die persönliche Begeisterung, mit der Herr Huber den Schülerinnen und Schülern die faszinierende Welt der kosmischen Strahlung und ihrer experimentellen Erforschung nahe brachte, die Art, wie er auf alle Fragen anekdotenreich und ausführlich einging und das Understatement, mit dem er schließlich fast beiläufig erwähnte, dass er in drei Wochen selbst zum Südpol aufbrechen werde, um dort einige Monate Neutrinos in dem einen Kubikkilometer großen Eiswürfel nachzuweisen und zu vermessen, vermittelten allen, dass Grundlagenforschung in der Physik einerseits ein faszinierendes Wissenschaftsgebiet ist und andererseits viel mit persönlicher Berufung zu tun hat.

Im dritten Teil des Studiennachmittags stand dann die eigene experimentelle Beschäftigung mit Teilchendetektoren im Vordergrund. So konnten die Schülerinnen und Schüler selbst kosmische Myonen nachweisen und sogar zeigen, dass im Keller des Institutes weniger dieser Teilchen ankommen als im Obergeschoss. Daneben stand aber auch der Austausch mit den betreuenden Masterstudenten und Doktoranden, die für alle Fragen auch zur Studien- und Berufswahl offen waren, im Vordergrund.

Kurzum: Der Besuch auf dem Campus Nord schenkte der Begabten-AG „Teilchenphysik“ des AMG vielfältige, interessante und beeindruckende Einblicke in die aktuelle Grundlagenforschung und das Berufsfeld von Physikern.

KATRIN-Experiment
Erstes Experiment zum Myonen-Nachweis
Zweites Experiment zum Myonen-Nachweis
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