Elementarteilchenphysik

1. April 2011
Version 1.0
Konzeptpapier zum Projektkurs
Struktur der Materie – Eine Einführung in die
Elementarteilchenphysik
Ansprechpartner:
§ Prof. Dr. W. Wagner, Bergische Universität
[email protected]
§ Dr. R. Hösen, St.-Anna-Schule
[email protected]
§ J. Sonntag, St.-Anna-Schule
Referenzfächer: Physik, Chemie. Im ersten Jahr der Qualifikationsphase (Q1).
Anzahl der Termine: ca. 30 Doppelstunden
Typische Größe eines Kurses: ca. 8 Schüler
Gliederung und Konzeption
1) Auftaktveranstaltung an der BUW
1 DSt
Vorlesung “Eine Reise in die Welt der kleinsten Teilchen”,
Dauer: 60 Minuten plus Fragen.
Alle Schulen, die den Projektkurs anbieten, nehmen an dieser Veranstaltung gemeinsam
teil. Ein passender Termin wird unter den Partnern entsprechend abgestimmt.
2) Einführung in die Welt der Elementarteilchen
8 DSt, alle an der Schule.
§ radioaktiver Zerfall, β- Spektrum
§ axiomatischer Zugang zum Teilcheninhalt des Standardmodells
§ Wechselwirkungen (Kräfte) durch Austausch von Teilchen
§ Feynman-Diagramme als graphische Darstellung von Austauschprozessen
§ Zusammengesetzte Teilchen, z.B. Proton, Neutron
§ Begriffsbildung: Hadronen, Mesonen, Baryonen, Leptonen
§ β-Zerfall im Teilchenbild
§ Zusammenbau von “eigenen” Teilchen (Hadronen) aus Quarks und Nachschlagen der
Eigenschaften dieses Hadrons im Particle Data Book.
Die Schüler sollen einen Steckbrief des Teilchens erstellen und es anhand dieser
Notizen vorstellen.
Die BUW liefert die PDG-Büchlein und einige große Handbücher. Jeder Schüler darf
ein Büchlein behalten. Weiterhin bereitet ein wiss. Mitarbeiter der BUW das
Arbeitsblatt „Steckbrief“ vor. Der Mitarbeiter der BUW kommt als Tutor zu dieser
Veranstaltung an die Schule.
3) Streuexperimente
4 DSt, an der Schule und an der BUW.
§ Besprechung des Rutherford-Experiments (Schule)
§ Vorbereitung des mechanischen Streuexperiments (Schule)
Den Schülern wird erklärt, was sie beim Experiment erwartet. Sie bereiten einen
Auswertungszettel vor.
§ Durchführung des mechanischen Streuexperiments an der BUW.
Bei diesem Experiment streuen kleine Metallkugeln an verschieden geformten
Streuzentren, die sich in der Mitte einer kreisförmigen Metallplatte befinden. Als
Streukörper stehen ein Zylinder, ein Dreieck und ein Rechteck zur Verfügung. Die
Metallkugeln laufen über eine breite
Rampe, die in mehrere Kanäle
strukturiert ist herab, treffen auf den
Streukörper und werden in
verschiedene Richtungen reflektiert.
Am Rande der Metallplatte befinden
sich 36 Löcher, in die die Metallkugeln
herabfallen. Über Lichtschranken
bringen die Metallkugeln jeweils eine
LED zum Leuchten. Ein
Tranportmechanismus befördert die
Kugeln zurück zur Rampe, deren
Kanäle gleichmäßig mit Kugeln
bestückt werden. Auf diese Weise
wird ein gleichmäßiger Teilchenstrom in Breite der Rampe erzeugt.
Zunächst werten die Schüler eine Messreihe mit einem Streukörper per Hand aus. Im
Anschluss wird die elektronische Auswertung für die weiteren Messungen verwendet.
Ziel des Experiments ist es, zu verdeutlichen, wie man aufgrund des beobachteten
Streumusters auf die Form des Streukörpers zurückschließen kann.
Der Versuch wird von einem wiss. Mitarbeiter der BUW betreut.
§ Auswertung des Streuexperiments (Schule).
Es soll geklärt werden, warum die verschiedenen Streukörper zu den jeweiligen
Streumustern führen. Dazu muss jeweils die Reflektion der Stahlkugeln am
Streukörper nachvollzogen werden.
Zur Auswertung kommt ein Tutor der BUW an die Schule.
4) Nachweis und Identifikation von Elementarteilchen
3 DSt
§ Schulvorlesung eines Dozenten der BUW zum Thema Teilchenidentifikation an der
Schule. Im Besonderen werden die Detektoren am LHC vorgestellt.
§ Vorbereitung des Experiments zum Myonnachweis mit Cerenkovstrahlung (Schule).
Der Cerenkoveffekt und die Funktionsweise eines Fotomultipliers sollte mit den
Schülern besprochen werden.
§ Myonnachweis mit der „Kamiokanne“
Kosmische Myonen werden mit einer umgebauten Kaffekanne nachgewiesen. In den
Deckel einer handelüblichen Thermoskanne ist ein Fotomultiplier eingebaut, der mit
einer in der Schule vorhandenen Hochspannungsversorgung bei 1.9 kV betrieben wird.
Die Kanne wird mit Wasser gefüllt. Zunächst werden die Pulse des Fotomultipliers mit
einem Oszilloskop betrachtet. Dann wird die Kanne wieder geleert, um die Rauschrate
grob zu bestimmen. Die Myonenrate wird anschließend mit einer gesonderten
Elektronik gemessen. Zunächst im Physikraum der Schule, dann im Freien und
schließlich im Keller der Schule. Sind Unterschiede zu erkennen? Wenn ja, warum?
Die BUW stellt die Kamiokanne, die Zählelektronik, wenn nötig die
Hochspannungsversorgung und das Oszilloskop zur Verfügung. Ein wiss. Mitarbeiter
betreut den Versuch an der Schule.
5)
§
§
Analyse von LHC-Kollisionsdaten
7 DSt (Schule)
Erklärung relativistischer Kinematik, Viererimpuls (1 DSt)
Kandidatenereignisse der Reaktion Z0 → µ µ werden „von Hand“ analysiert (2 DSt).
Für 20 Ereignisse werden jeweils die drei Impulskomponenten und die Energie in einer
Tabelle (Papier) zur Verfügung gestellt. Für ein paar Ereignisse zeichnen die Schüler
die Impulsvektoren in der px-py-Ebene (Transversalebene) in ein Diagramm. Die
Schüler berechnen die invariante Masse der beiden Myonen m und die Differenz des
Azimuthwinkels Δφ. Beide Größen werden histogrammiert. Ein wiss. Mitarbeiter der
BUW begleitet den Unterricht an der Schule.
Eine große Zahl von Z0-Kandidaten wird in einer ASCII-Datei zur Verfügung gestellt.
Die Schüler erhalten ein Auswertungsprogramm, das die Daten einliest, die m und ΔφHistogramme füllt und anzeigt. Für diesen Teil des Kurses muß die Schule einen
Computerraum oder tragbare Rechner zur Verfügung stellen. Zwei verschiedne
Datensätze (Elektron- und Myonkanal) werden zur Verfügung gestellt. Ein wiss.
Mitarbeiter der BUW muss auf diesen Rechnern das ROOT-Programmpaket
installieren (1 DSt).
Die beobachteten Verteilungen werden mit Verteilungen simulierter Z0-Ereignisse und
den Verteilungen von Myonen aus QCD-Multijetereignissen verglichen. Während der
Auswertung an der Schule ist der Tutor ebenfalls anwesend (1 DSt).
Die Histogramme werden in einer ROOT-Datei abgespeichert (Konzept der Persistenz)
und dann mit dem ROOT-Browser geöffnet und verschönert. Achsenbeschriftungen
werden angebracht. Die Farbe und Linienstärke der Histogramme wird verändert, etc.
Die BUW liefert einen Aufgabenzettel, der von den Schülern abgearbeitet werden soll
(1 DSt).
Die Schüler präsentieren ihre Ergebnisse in Kurzvorträgen (1 DSt).
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µµ
§
µµ
§
§
§
6) Sektion eines simulierten Ereignisses
3 DSt
Anhand der Teilchenliste eines simulierten Ereignisses e+e- → Z0 → bb soll
nachvollzogen werden, was bei einem Kollisionsereignis passiert. Die Schüler lernen
die einzelnen Stufen eines Ereignisses kennen: harter Stoßprozess, Fragmentation,
Zerfallsketten in stabile Teilchen. Die Zerfallskette der b-Hadronen soll in einem
Baumdiagramm nachvollzogen werden. Mit einem vorbereiteten Programm sollen die
Multiplizitäten stabiler Teilchen bestimmt werden.
7) Klärung ausstehender Fragen
3 DSt, Fachlehrer.
8) Abschlussveranstaltung an der BUW
Vortrag zum Thema „Offene Fragen der Elementarteilchenphysik – Was erforschen wir
am LHC?“.
Dauer: 60 Minuten plus Fragen.
Beiträge der BUW
§ Veranstaltungen an der BUW: 3 DSt.
§ BUW Tutor an der Schule: 12 DSt.
Von der BUW zu erstellende Materialien
§ Steckbrief Hadronen
§ Datenblatt mit 20 Z0 → µ µ Kandidatenereignissen
§ Große ASCII Datei mit tausenden von Z0 → µ µ Kandidaten.
Programm zur Auswertung der Daten.
§ ROOT-Dateien mit simulierten Ereignissen zum Vergleich mit den Daten. Programm,
das diese Dateien lesen kann und Histogramme macht. Arbeitsblatt, das Öffnen der
ROOT-Dateien mit dem Browser erklärt.
§ Arbeitsblatt zur Aufbereitung der Histogramme.
§ Teilchenliste eines simulierten Kollisionsereignisses. Arbeitsblatt zur Analyse des
Ereignisses.
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