Exkursion zum Mint-EC Forum "Teilchenphysik Masterclass" am 29.01.2019 in Butzbach

Exkursion zum Mint-EC Forum „Teilchenphysik Masterclass“
               am 29.01.2019 in Butzbach

              Leonard Georg, Sören Mahr, Jonathan Passauer,
          Tara Matthäus, Alrik Becker, Jonas Trocha, Lukas Selzer

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Inhalt

Exkursion zum Mint-EC Forum „Teilchenphysik Masterclass“ am 29.01.2019 in Butzbach ................ 1
1.Vorwort ................................................................................................................................................ 3
2.Veranstalter .......................................................................................................................................... 3
3.Was sind „Masterclasses“? ................................................................................................................... 3
4.Unsere Erwartungen vor der Veranstaltung ......................................................................................... 3
5.Tagesablauf .......................................................................................................................................... 4
6. Reflexion und Fazit ............................................................................................................................. 6
7. Anhang ................................................................................................................................................ 7

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1.Vorwort

Im Rahmen des Physik Leistungskurses des Johanneum Gymnasiums machte uns Herr Heinl
auf das Mint-EC Forum „Masterclass Teilchenphysik“ aufmerksam. Schnell haben sich einige
interessierte Schülerinnen und Schüler gefunden, die an der Veranstaltung teilnehmen
wollten. Aufgrund begrenzter Kapazitäten der Veranstaltung konnte jedoch nur ein Teil der
Schülerinnen und Schüler teilnehmen. Teilgenommen haben: Leonard Georg, Sören Mahr,
Jonathan Passauer, Tara Matthäus, Jonas Trocha sowie Alrik Becker und Lukas Selzer aus
dem Jahrgang Q2.

2.Veranstalter

Durchgeführt wurde die „Teilchenphysik Masterclass“ vom Physikalischen Institut der Justus-
Liebig-Universität in Gießen und unterstützt vom Netzwerk Teilchenwelt. Mehrere deutsche
Teilchenphysikinstitute und das CERN bilden dieses Netzwerk, welches sich zur Aufgabe
gemacht hat Interessierten Schülerinnen und Schülern Einblicke in die Teilchenforschung am
CERN zu geben. Aber auch die Deutsche Physikalische Gesellschaft hat ihren Teil dazu
beigetragen, dass diese Masterclass stattfinden konnte.

3.Was sind „Masterclasses“?

Masterclasses sind Workshops für Schülerinnen und Schüler, welche vom Netzwerk
Teilchenwelt, Mint EC sowie der Justus-Liebig-Universität Gießen veranstaltet werden. Dabei
gibt es verschiedenen Arten von Masterclasses, welche auf unterschiedliche wissenschaftliche
Themengebiete eingehen.
Ziel der Masterclass ist das gemeinsame Erlernen von grundlegenden Mechaniken und
Prinzipien der Teilchenphysik und die Anwendung des erlernten Wissens in der Praxis. Die
Masterclasses finden an verschiedenen Orten statt und werden von Teilchenphysikern- und
Forschern begleitet.

4.Unsere Erwartungen vor der Veranstaltung

Als Schüler des Physik Leistungskurses von Herrn Heinl waren wir natürlich sehr gespannt
auf die Veranstaltung, die am 29. Januar 2019 im Weidig-Gymnasium Butzbach stattfinden
sollte. Uns war bekannt, dass auch Teilnehmer von anderen Schulen partizipieren, sodass man
auch neue Leute kennenlernen kann. Von uns hat noch niemand vorher eine solche
Veranstaltung besucht, wodurch wir nicht genau wussten, wie die Tagesagenda aufgebaut sein
wird.
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Wir alle hatten aber die Erwartung, dass wir viel Neues im Themenfeld Teilchenphysik lernen
werden und dabei von Teilchenphysikern und Lehrkräften betreut werden. Auch haben wir
darauf gehofft zu erfahren, wie die Forschung im LHC am CERN aufgebaut ist und
funktioniert.

5.Tagesablauf

Am Morgen des 29. Januars haben wir uns am Bahnhof in Herborn getroffen, um gemeinsam
mit dem Zug nach Butzbach zu fahren. Nach der dortigen Ankunft um etwa 8.45Uhr wurden
wir mit anderen Teilnehmern anderer Schulen von zwei Schülern des Weidig-Gymnasiums
zum Veranstaltungsort geführt.
Nach einer kurzen Begrüßung der dortigen Veranstalter Prof. Dr. Michael Düren, Dr. Marc
Strickert, Dr. Mustafa Schmidt und Dr. Anke Ordemann begann Dr. Mustafa Schmidt mit
einer Einführung in die klassische Teilchenphysik. Zu Anfang wurden uns die
Größenverhältnisse der Elementarteilchen und die in der Teilchenphysik vorkommende
Energie (Beispielsweise bei einer Kollision von Teilchen) anschaulich dargelegt. Dr. Schmidt
gestaltete die Theorie mit einer PowerPoint-Präsentation und interaktiven Elementen für die
Schülerinnen und Schüler.
Nach einer kurzen Pause wurden wir an die verschiedenen Elementarteilchentypen
herangeführt. Zu diesem Zweck wurden Karten ausgeteilt, welche Informationen zu Myonen,
Quarks und Bosonen enthielten. Jeweils zu zweit sollten die Teilnehmer diese Karten nach
Teilcheneigenschaften ordnen und strukturieren. Uns wurde erklärt, aus welchen
Elementarteilchen Protonen oder Neutronen aufgebaut sind und wie die Massen oder
Ladungen dieser Teilchen von Quarks beeinflusst werden.
Danach wurde uns die Funktionsweise und der Aufbau von Teilchenbeschleunigern am
Beispiel des Long Hadron Colliders (LHC) am CERN erläutert. Zu diesem Thema hatten wir
durch unseren Unterricht Vorwissen, welches wir dort gut einsetzen konnten. Schließlich
wurden uns einige Typen von radioaktiven Zerfällen sowie radioaktiver Strahlung
nähergebracht, schließlich ist radioaktive Strahlung bei der Kollision von Teilchen
unumgänglich.
Nach der Mittagspause und dem gemeinsamen Essen in der Mensa des Weidig-Gymnasiums
ging die Veranstaltung in die eher praxisorientierte Phase über. In Gruppen von jeweils vier
Personen sollte eine Nebelkammer (siehe Anhang Bild 1) gebaut und in Betrieb genommen
werden. Ziel dieses Experimentes war es, durch den Nebel in der Kammer radioaktive
Strahlung, oder vielmehr deren Auswirkung auf ihr Umfeld, zu visualisieren.
Unter Aufsicht wurde dafür eine Aluminiumplatte auf eine Schicht Trockeneis gelegt. Des
Weiteren wurde eine quaderförmige, transparente Kunststoffkuppel mit einem Schwamm
ausgestattet, welcher mit dem Aldehyd 1-Propanal getränkt wurde. Dieser Schwamm wurde
mit Magneten an die Oberseite der Kuppel angebracht. Danach wurde die Kuppel auf die
mittlerweile auf -70 Grad Celsius heruntergekühlte Aluminiumplatte abgesenkt. Durch den
Temperaturunterschied von etwa 90-100 Grad Celsius im System bildete sich ein sehr feiner
Nebel.
Dieser Nebel ermöglichte uns die Auswirkungen von Alpha- und Beta- Strahlung zu sehen.
Alpha-Strahlung konnte in Form von länglichen, schraubenförmigen Streifen im Nebel
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beobachtet werden. Beta-Strahlung hatte nicht diese Spiralform. Diese Streifen kamen durch
das Alpha/Beta-Teilchen zu Stande, welche durch eine Kollision von Neutrinos mit
Stickstoffatomrümpfen abgespalten wurden.
Nach einer gemeinsamen Auswertung des Experimentes im Plenum haben wir die Theorie im
Bereich Datengewinnung und Detektorphysik erweitert. Als Beispiel wurde der ATLAS
Detektor des LHCs gewählt. An diesem Beispiel wurde uns erläutert, wie man aus dieser
Teilchenkollision im Detektor die neu entstandenen Teilchen identifizieren kann. Dieses
Wissen wurde anschließend am Computer in Teams von jeweils zwei Personen in die Tat
umgesetzt. Mit Hilfe echter Daten des LHC am CERN konnte man selbst auf die Suche nach
dem Higgs-Boson gehen. Dieses Teilchen verleiht Materie ihre Masse und wurde erst kürzlich
am CERN gefunden, obwohl Theorien schon seit den 1960er Jahren auf die Existenz dieses
Teilchens hinweisen. Mit Hilfe des zuvor gelernten Wissens und des Analyseprogramms
konnte man an verschiedenen Zerfällen und an der Entstehung von Teilchen am CERN
teilhaben.
Die Datenanalyse wurde von einer Evaluation im Plenum abgeschlossen und nach einer
kurzen Abschiedsrede und einem gemeinsamen Gruppenfoto endete die „Masterclass
Teilchenphysik“ um 17:00Uhr.

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6. Reflexion und Fazit

Uns allen hat die Teilnahme an der Masterclass Teilchenphysik viel Freude bereitet. Es war
sehr interessant zu sehen wie komplex die klassische Teilchenphysik und fortgeschritten die
Forschung an dieser ist. Es hat uns viel Spaß gemacht zu erfahren, woraus Teilchen wie
beispielsweise Protonen oder Neutronen bestehen. Des Weiteren wurde uns klar, dass uns Tag
für Tag die Physik begleitet. Besonders dort, wo man sie nicht mehr mit bloßem Auge sehen
kann.
Auch die praktische Anwendung des Wissens im Nebelkammer- Experiment und der
Datenanalyse echter CERN Daten waren für uns spannende Erfahrungen.
An diesem Tag haben wir viel Neues gelernt, welches uns auch in Unterricht weiterhelfen
kann und wir wurden von freundlichem und kompetentem Personal betreut. Auch die
Interaktion mit Schülerinnen und Schülern anderer Schulen war Teil des Tages. Man ist mit
vielen Personen einfach und schnell ins Gespräch gekommen. Auch die große
Hilfsbereitschaft aller beteiligten ist uns aufgefallen.
Abschließend lässt sich sagen, dass die Teilnahme am Mint-EC Camp „Teilchenphysik
Masterclass“ eine sehr interessante und schöne Erfahrung für uns alle war und wir uns sehr
über die Teilnahme und Unterstützung gefreut haben.
Unser Dank gilt allen Mitwirkenden des Johanneum-Gymnasiums, des Mint-EC Projektes,
der Justus-Liebig-Universität sowie dem Netzwerk Teilchenwelt und der deutschen
Physikalischen Gesellschaft.
Auch bedanken wir uns für die Unterstützung von Herrn Heinl.

Leonard Georg, Sören Mahr, Jonathan Passauer, Tara Matthäus, Jonas Trocha sowie Alrik
Becker und Lukas Selzer.

Physik Leistungskurs HENL Q1/2

Schuljahr 2018-2019

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7. Anhang

                   Bild 1: Aufbau und Inbetriebnahme der Nebelkammer

            Bild 2: Beobachtung des Strahlungseinflusses auf den 1-Propanalnebel

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Bild 3: Datenanalyse von CERN- Daten am Computer

             Bild 4: Analyseschema

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