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). + − 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. + − + −