Vom Higgs-Boson zur Kosmischen Strahlung: Experimente für

Vom Higgs-Boson zur
Kosmischen Strahlung:
Experimente für Schüler des
Netzwerks Teilchenwelt
PHYSIKWERKSTATT
RHEINLAND
www.schuelerlabor.uni-bonn.de
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14. 11. 2012, Barbara Valeriani-Kaminski
Netzwerk Teilchenwelt
(Astro-)Teilchenphysik…
...erleben, vermitteln, erforschen
Ein Netzwerk zwischen…
•
•
•
•
WissenschaftlerInnen
Jugendlichen (15-19 Jahre)
Lehrkräften
an Schulen, Schülerlaboren,
Schülerforschungszentren,
Museen etc.
• in direktem Kontakt mit dem CERN
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Netzwerk Teilchenwelt
Projektübersicht
 22 Standorte bundesweit, ca.
140 junge Wissenschaftler
 Projektleitung/-koordination:
TU Dresden
 Finanzierung: BMBF
 Partner:
www.weltderphysik.de
 Schirmherrschaft: DPG
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Netzwerk Teilchenwelt
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Projektziele
Verbreitung der Faszination
(Astro-)Teilchenphysik durch
unmittelbaren Kontakt mit
aktueller Grundlagenforschung
 Grundlagenforschung als
Erkenntnisgewinn
 Bessere Sichtbarkeit des CERN in
Deutschland
 Ausbildung junger
WissenschaftlerInnen in
Wissenschaftskommunikation
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Kontakt mit aktueller Grundlagenforschung
Authentische Erfahrungen mit
aktuellen Daten vom CERN
oder eigene Messungen mit
kosmischer Strahlung
Persönlicher Kontakt mit
jungen WissenschaftlerInnen:
• Einblick in deren Arbeitswelt
• Diskussionen über Aufbau, Woher
und Wohin des Universums
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Die Messung kosmischer Strahlung
Kamiokanne
Zwei Schülerexperimente wurden im
Rahmen des „Cosmic Projekt“
entwickelt:
• Wissenschaftliche Koordination des
Projektes am DESY(Zeuthen)
• Ausleihen von Experimenten
an Schulen
Szintillationszähler
• Projekttage/Projektwochen/Facharbeiten möglich
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Die Messung kosmischer Strahlung
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Die Messung kosmischer Strahlung…
… ist nicht nur Wissenschaftlern vorbehalten.
… wird mit Komponenten durchgeführt, die auch in Großexperimenten
verwendet werden.
… ist auch in der Schule möglich.
… bietet die Möglichkeit, Astroteilchenphysik zu erleben.
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Die Messung kosmischer Strahlung
 Ratenmessung in Abhängigkeit der Messzeit:
- Schwankung der Rate mit der Messzeit;
- Mittlere Rate und Standardabweichung;
- Verteilung der Messwerte: Gauss-Verteilung oder Poisson-Verteilung;
- Relativer Fehler einer Messung und benötigte Messzeit.
 Ratenmessung in Abhängigkeit von:
- Stockwerken der Schulgebäude;
- absorbierenden Materialien (Stoff, Holz oder Stahl).
 Ratenmessung in Abhängigkeit vom Winkel
- Abnahme der Rate mit zunehmendem Winkel zur Senkrechten;
- Erklärungsansatz finden.
 Lebensdauer des Myons
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Lerninhalte
 Funktionsweise eines Szintillators, Aufbau und Funktionsweise
eines Photomultipliers
 Cherenkov-Effekt
 Teilchen und deren Eigenschaften
 Abhängigkeit der Rate kosmischer Teilchen vom
Detektorplattenabstand/Winkel/etc.
 Lebensdauer der Myonen und Relativitätstheorie
 Statistischer Charakter der kosmischen Strahlung
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Erfahrungen mit aktuellen Daten vom CERN
ATLAS
CMS
LHCb
ALICE
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Erfahrungen mit aktuellen Daten vom CERN
ATLAS
CMS
LHCb
ALICE
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Angebote für Schüler
Teilchenphysik-Masterclasses
und Experimente mit kosmischer
Strahlung in Ihrer Einrichtung
Aktive Mitarbeit als TeilchenweltBotschafterIn
Projektarbeiten/Facharbeiten
am lokalen Forschungsinstitut
Vertiefende Schulungen in Teilchenphysik am CERN
Projektwochen am CERN für Jugendliche, jedes Jahr im Herbst!
Forschungsmitarbeit an lokalen (Astro-)Teilchenphysik-Instituten
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Angebote für Lehrer
Teilchenphysik-Masterclasses
und Experimente mit kosmischer
Strahlung in Ihrer Einrichtung
Fortbildung für die Vermittlung
aktueller Forschung im Unterricht
Vertiefende Schulungen in
Teilchenphysik am CERN
Forschungsmitarbeit an lokalen (Astro-)Teilchenphysik-Instituten
Teilchenphysik-Stammtische
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Weitere Angebote
(UN)SICHTBAR?!
Teilchenphysik-Video-Wettbewerb
(MIT)TEILBAR?! –
Teilchenphysik-UnterrichtsmaterialWettbewerb für Lehrkräfte
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Für mehr Informationen:
www.teilchenwelt.de
und
www.forum.teilchenwelt.de
Kontakt:
[email protected]
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Messung mit den ATLAS-Daten
Hauptdarsteller:
Das W-Teilchen
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Der Beta-Zerfall und das W-Teilchen
Proton
Neutron
Elektron
Beta-minusZerfall
(Elektron)
Antineutrino
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 - Zerfall (W)
 - Zerfall (W)
• Die W-Teilchen sind Bosonen und sind
zusammen mit dem Z-Teilchen für die
Schwache Wechselwirkung verantwortlich.
• Abhängig von dem Anfangszustand (p, n) tritt
entweder ein W oder ein W auf.
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Produktion der W-Teilchen am LHC
21
Produktion der W-Teilchen am LHC
34%
66%
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Was können wir lernen, wenn wir die
Produktionsrate der W und der W messen?
Innere Zusammensetzung des Protons!
W+ kommt aus up-Quark!
W- kommt aus down-Quark!
Verhältnis von W+ zu W- ist Verhältnis von up-Quark zu down-Quark!
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Wie können wir W-Teilchen identifizieren?
W-Teilchen zerfallen sehr schnell, nur 3 x 1025 s nach
der Produktion:
 In 2/3 ihrer Zerfälle entsteht ein Quark-Antiquark-Paar.
 Beim 1/3 der W-Zerfälle entstehen ein geladenes
Lepton und sein Neutrinopartner. Elektron, Myon
und Tauon kommen dabei gleich häufig vor.
Das Tauon zerfällt sofort wieder und ist somit schwer zu
identifizieren!
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Wir untersuchen die Zerfälle der W-Teilchen in:
Elektronen (oder Positronen)
Myonen (oder Antimyonen)
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Der ATLAS-Detektor
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Masterclass INvolving Event
Recognition Visualised with Atlantis
• Ein Masterclasses-Werkzeug für
SchülerInnen zum Kennenlernen
des ATLAS-Experiments am CERN
• Basiert auf einem der offiziellen
ATLAS-Event-Displays
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Das Event-Display MINERVA
Querschnitt
Energieeintrag in
Winkelebene
Längsschnitt
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Das Event-Display MINERVA
Spurdetektor
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Das Event-Display MINERVA
ElektroMagnetisches
Kalorimeter
(Ecal)
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Das Event-Display MINERVA
Hadronisches
Kalorimeter
(Hcal)
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Das Event-Display MINERVA
Myonkammern
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Das Elektron und das Positron
 Spur im
Spurdetektor
 Energie im Ecal
 Keine Energie im
Hcal
Photon:
Wie Elektron,
aber keine Spur
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War das ein Positron oder ein Elektron?
Krümmung der Spur im Magnetfeld (Lorentzkraft)
Spur auswählen
 Spurauswahl-Werkzeug anklicken
 Auf die Spur des Teilchens klicken
 In der Infobox unten rechts wird die
Ladung angezeigt
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Das Myon und das Antimyon
 Spur im Inneren
Detektor
 Spur in den
Myonkammern
 Wenig bis keine
Energie in
Kalorimetern
deponiert
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Das Neutrino im Detektor
 Geringe
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
 Keine Ladung
- Keine Spur
- Keine Energie im
Kalorimeter
 Fehlende transversale
Energie aus
Impulserhaltung
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Das Neutrino im Detektor
Fehlende
transversale energie
Missing ET
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Gluon, Quark, Antiquark
Quarks bilden
Hadronen-Bündel (Jets)
Nachweis
 Spurbündel
 Energiedeposition
 Fehlende
transversale Energie
zu klein für Neutrinos
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Gruppenarbeit:
Wie wechselwirkt mein Teilchen im
ATLAS-Detektor?
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Untergrund:
Z0-Teilchen
Wenn Protonen kollidieren, können nicht nur WTeilchen, sondern auch Z0-Teilchen entstehen.
Ereignisse mit Jets
Ein Gluon, Quark oder Antiquark wird bei der
Kollision aus dem Proton geschleudert.
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Wie kann man Signal von Untergrund unterscheiden?
SIGNALEREIGNIS:
• GENAU EIN LEPTON (Elektron/Positron/Myon oder
Antimyon), aber isoliert, d.h. NICHT IN EINEM JET
• Das Lepton hat einen Transversalen Impuls (pT) von
mindestens 20 GeV
• Im Ereignis liegt eine fehlende transversale Energie
(Missing ET) von mindestens 25 GeV vor
Alles andere ist Untergrund!
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Wer findet das Higgs-Teilchen?
In den Daten sind (simulierte) WW-Ereignisse versteckt!
WW-Ereignisse:
• Zwei Leptonen (e, μ oder ihre Antiteilchen) mit
entgegengesetzter Ladung (nicht in Jets)
• Missing ET > 40 GeV
(beide Leptonen aus der gleichen Familie)
oder Missing ET > 25 GeV
(Leptonen aus unterschiedlichen Teilchenfamilien)
• Ein Lepton: pT > 25 GeV, das andere: pT > 15 GeV
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WW-Ereignis: Signal oder Untergrund?
• Wir messen den Winkel zwischen den beiden elektrisch
entgegengesetzt geladenen Leptonen in der Ebene
senkrecht zur Strahlachse (ΔΦll, Öffnungswinkel).
• Higgs-Ereignisse sind überwiegend bei
Öffnungswinkeln zwischen 0 und 90 Grad zu finden.
• WW-Ereignisse aus dem Standardmodell erwartet man
hingegen bei Öffnungswinkeln zwischen 0 und 180
Grad, wobei Winkel über 90 Grad häufiger sind als Winkel
unter 90 Grad.
• Ergebnisse werden in einem Histogramm dargestellt.
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Jetzt sind Sie dran!
In Zweiergruppen an einem Rechner!
Jede Gruppe untersucht 50 Ereignisse
Messung 1: R± bestimmen
• Alle Signalereignisse heraussuchen (Ereignisse, in denen ein WTeilchen erzeugt wurde)
• Elektrische Ladung des W-Teilchens ermitteln
• Zusammen: Verhältnis der Anzahl elektrisch positiv geladener
W-Teilchen zur Anzahl elektrisch negativ geladener W-Teilchen
bestimmen (R±)
Messung 2: WW-Ereignisse
• Für alle Ereignisse mit zwei W-Teilchen Ereignisnummer und
den Winkel zwischen den beiden Leptonen notieren
• Zusammen: Darstellung in einem Histogramm
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Jetzt sind Sie dran!
So wird die Messung gestartet:
• Firefox starten http://physicsmasterclasses.org/neu/index.php
• Auf der Startseite auf Physics klicken
• Auf ATLAS klicken
• Auf ATLAS exercise - german klicken
• Den W-Pfad wählen
Im Verzeichnis /home/schueler/exercises/ATLAS/minerva/events
1. Zweite Übung: exercise2-new.zip
2. Datenpaket laden!
Wichtig!
In der Registerkarte InDet (1) unter
„Track Collections“ (2) die Einstellung
„Tracks“ wählen
(1)
(2)
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AUSWERTUNG W-Ereignisse
http://www.editgrid.com/user/masterclass/Analysis_2012
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WechselwirkungsProzesse
W+
W-
Quark-GluonWechselwirkung
66%
?
?
Gluon-GluonWechselwirkung
Messergebnisse
34%
?
?
?
?
100%
W+/W- bei der Quark-Gluon-Wechselwirkung = R± =?
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AUSWERTUNG WW-Ereignisse
https://kjende.web.cern.ch/kjende/de/histogram.htm
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