Programme für Lehrkräfte und Schüler am CERN
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European Organization for Nuclear Research Über 50 Jahre Grundlagenforschung Programme für Lehrer und Schüler am CERN … das Labor … die Programme … Ideen zur modernen Physik im Unterricht … Dr. Sascha Marc Schmeling CERN PH Überblick CERN – Organisation, Teilchenphysik, Forschung Programme für Lehrer und Schüler Inhalte CERN Besuchsprogramm Lehrerfortbildungen Schülerprogramme Teilchenphysik Beschleuniger und Experimente Labore und Workshops Resourcen Ausblick 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 2 CERN Geschichte 1949 1952 Oktober 1952 1. Juli 1953 29. September 1954 Erste Ansätze ziviler Forschung im Bereich der Nukleartechnik Gründung des Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire unter der Obhut der UNESCO Standortauswahl für Genf 08.06.2012 Unterzeichnung der CERN Charta Abschluß des Ratifikationsprozesses in den ursprünglichen zwölf Mitgliedsstaaten Sascha Schmeling • CERN 4 CERN – Das Laboratorium Menschen bei CERN – Januar 2012 Angestellte Staff 2420 Fellows 487 Abgeordnete Wissenschaftler Projektpersonal 134 Doktoranden 161 Studenten 61 148 Sonstige 805 Firmen 3818 10685 User 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 7 Beschleuniger bei CERN Weitere Aktivitäten am CERN … eine kleine Auswahl … CERN Neutrinos zum Gran Sasso 700 m p+C 100 m (Wechselwirkungen) 1000m 67 m p+, K+ (Zerfall) m+ + nm CERN bis zum Gran Sasso : 732 km in einer Tiefe bis zu 11.4 km Antimaterie Tom’s Angels and demons S. Myers QUB March 11, 2009 Anwendung von Antimaterie - Tumorbekämpfung ACE Experiment bei CERN QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. *) Antiproton Cell Experiment PROGRAMME AM CERN 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 17 CERN Besuchsprogramme Der CERN Visits Service organisiert halbtägige Besuchsprogramme für die allgemeine Öffentlichkeit. Diese Programme werden auch von Schulen wahrgenommen. Für Alumni unserer Programme ermöglichen wir besondere Besuche. 08.06.2012 90000 80000 70000 60000 50000 D 40000 Total 30000 20000 10000 0 2002 2004 2006 Sascha Schmeling • CERN 2008 2010 2012 2014 18 Schülerpraktika 2008-11 und Besuchsprogramme Internatsschule Schloß Hansenberg Schülerbesuchsprogramme Bisherige Programme 12 Teilnehmer, 10 verschiedene Plätze 12 Teilnehmer, 8 verschiedene Plätze 15.-28. April 2012 12 Teilnehmer, 8 verschiedene Plätze Schülerforschungsarbeiten viele verschiedene Schulen mehrtägige Programme Vorlesungen Masterclasses Workshops Praktikumswochen 8 Teilnehmer, 8 verschiedene Plätze 9.-20. Mai 2011 Workshops 13 Teilnehmer, 11 verschiedene Plätze 11.-24. April 2010 19. April-2. Mai 2009 Netzwerk Teilchenwelt 13.-26. April 2008 08.06.2012 ausgedehnte Visits Masterclasses Workshops im Rahmen des Machbaren sind auch weitere Programme möglich Sascha Schmeling • CERN 19 Lehrerfortbildungsprogramme am CERN High-School-Teachers’ Programme internationales Programm seit 1998 (3 Wochen im Sommer) National Teachers’ Programmes nationale Programme in Landessprache seit 2007 (1 Woche) Einige Spin-Offs organisiert von bzw. mit Teilnehmern der langjährigen Programme. Starkes und umfangreiches Netzwerk von Alumni in aller Welt und verstärkt nun auch in Deutschland 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 20 GTP –Deutschsprachige Lehrerfortbildungen Sonntag Abend – Freitag Mittag Vorlesungen CERN Einführung Teilchenphysik Teilchendetektoren Teilchenbeschleuniger Antimaterie Kosmologie Anwendungen IT/Medizin Nationale Ressourcen Curriculum Schulversuche zur Teilchenphysik – Teachers‘ Lab Bau von Nebelkammern neu: Teilchenphysik-Masterclasses umfangreiches Besuchsprogramm Praktika 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 21 Teilnehmer an deutschsprachigen Programmen 140 120 100 HST 80 PhT GTP 60 ATP 40 20 0 1996 08.06.2012 1998 2000 2002 2004 2006 2008 Sascha Schmeling • CERN 2010 2012 22 Netzwerk Teilchenwelt Deutschlandweite Bildungs-Initiative ab 2010 Angekündigt von BM Schavan bei Eröffnung der Ausstellung „Weltmaschine“ M. Kobel, TU Dresden, S. Schmeling, CERN, T. Trefzger, Uni Würzburg, M. Walter, DESY Zeuthen 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 24 Betreuung von Examenskandidaten Staatsexamensarbeiten z.B. Julian Merkert, Karlsruhe, 2008 “Project Physicsteaching” dokumentierte multimediale Vorstellung von CERN und LHC umfangsreiches Material gestaltet Konsolidierung der Lehrer-Ressourcen bei CERN Dissertationen – Gentner-Programm 2 Doktoranden derzeit am CERN 08.06.2012 „Masterclasses und der LHC“ „Cosmic Experimente im Unterricht“ mehrere Vorschläge in der Ideen- und Planungsphase Sascha Schmeling • CERN 25 Ausgewählte INHALTE 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 26 Das Standardmodell … ist … … eine experimentell gut bestätigte Beschreibung unserer Welt auf der Ebene der Elementarteilchen … eine Zusammenfassung Alles Wissens um die Natur der kleinsten Teilchen … sehr präzise, sogar so weit, daß zukünftige Entdeckungen recht präzise vorhergesagt werden können 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 28 Kinetische Gastheorie Boltzmann Teilchen 1895 e- Brownsche Bewegung Schwache WW Technologien Starke WW Detektor Beschleuniger Radioaktivität Photon Atom 1910 Spezielle Relativität Kern 1930 n e+ Geiger Antimaterie μ- 1940 Fermi Theorie Teilchenzoo Higgs u 1970 τ- 1980 d s c STANDARD MODEL b Galaxien; Ausdehnung des Universums Zyklotron Dunkle Materie Big Bang Nukleosynthese W Bosons Kosmische Hintergrundstrahlung EW Vereinigung GUT SUSY Superstrings g Z 3 Teilchenfamilien Blasenkammer e+e- Ring Vieldrahtkammer Strahlkühlung QCD Farbladung W 1990 Wolken Synchrotron P, C, CP Verletzung νμ Allgemeine Relativität Kernfusion τνe Yukawa π Austausch QED π p- Höhenstrahlung Quantenmechanik Welle-Teilchen Dualismus Spin/Fermion-Boson p+ 1920 1975 Universum Elektromagnetismus 1905 1960 Newton Felder 1900 1950 Elektromagnetismus Maxwell Prozessrechner p+p- Ring Inflation Inhomogenität der Hintergrundstrahlung(C OBE, WMAP) Moderne Detektoren WWW t 2000 2010 ντ ν Masse Dunkle Energie GRID Elektroschwache WW Entdeckung “neutraler Ströme” am CERN (1973) ν ν Neutral current Zo e e • Neutrino Strahl auf Blasenkammer gerichtet • Ein Elektron mit hoher Energie erscheint aus dem ‘Nichts’ 1973 Elektroschwache WW 1983 Entdeckung der W und Z Bosonen am CERN (1983) W Ereignis im UA-1 Detektor Carlo Rubbia, Simon van der Meer Elektroschwache Wechselwirkung “Universalität” : Leptonen und Quarks Müon-Zerfall: μ μ νμ + e + νμ w- νe νe e d u Neutron-Zerfall: n p + e + νe wd u + e + νe νe e Beschleuniger bei CERN Strahlenergie 25 ns Strahlenergie = Protonenenergie Anzahl der Wolken Anzahl der Protonen pro Wolke Protonenenergie: 7 TeV bei höchster Intensität: Anzahl der Wolken pro Richtung: Anzahl der Protonen je Wolke: 2808 1.05 1011 Strahlenergie (pro Richtung): 346 MJoule 08.06.2012 Gespeicherte Energie in den Magneten E Dipol = 0.5 L Dipol I 2Dipol gespeicherte Energie in einem Dipol: 7.6 MJ Gesamt für alle 1232 Dipole im LHC: 9.4 GJ Nimitz Klasse Flugzeugträger (90000 t) bei Reisegeschwindigkeit von 20 kn Energie = ½ mv2 ~ 10GJ 08.06.2012 Teilchen – Teilchen Interaktionen • Streuung • Annihilation • und die Produktion neuer Teilchen • All Ereignisse entstehen durch – Colliding Beam Experiments – Fixed Target Experiments Detektionskonzepte 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 38 CMS: Kaverne und Gebäude SCX SX5 SDX UXC Experiment Kaverne Infrastruktur: z.B. PCs, Auslesemodule 4 stöckig USC CMS Trigger and DAQ 40 MHz Alle 25 ns Detectors COLLISION RATE Charge Time Pattern 16 Million channels 3 Gigacell buffers 100 kHz LEVEL-1 TRIGGER Energy Tracks 1 Megabyte EVENT DATA DAQ akzektiert Level-1 Rate of 100kHz 1 Terabit/s 200 Gigabyte BUFFERS (50000 DATA CHANNELS) 500 Readout memories EVENT BUILDER. A large switching 500 Gigabit/s Networks network (512+512 ports) with a total throughput of approximately 500 Gbit/s forms the interconnection between the sources (Readout Dual Port Memory) and the destinations (switch to Farm Interface). The Event Manager collects the status and request of event filters and distributes event building commands (read/clear) to RDPMs HLT (High Level Trigger) entworfen für ca. 100Hz 5 TeraIPS - Unterdrückung Faktor 1000 EVENT FILTER. It consists of a set of high performance commercial processors organized into many farms convenient for on-line and off-line applications. The farm architecture is such that a single CPU processes one event ~2000 CPUs Gigabit/s SERVICE LAN Computing services Petabyte ARCHIVE CMS Ereignis Kosmologie des 21. Jahrhunderts Was ist dunkle Materie? - Strukturbildung ! - Galaxien, Galaxienhaufen, Gravitationslinsen? Was ist dunkle Energie? - Verbindung mit Vakuumenergie (Higgs?) - Expansion des Universums? - Kosmologische Konstante? RESOURCEN 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 43 Webresourcen Allgemein Alle Ergebnisse des HST-Programms: 08.06.2012 Teachers.cern.ch Sascha Schmeling • CERN 44 Deutschsprachiges Unterrichtsmaterial 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 45 Unterrichtsreihen Kosmische Höhenstrahlung Zwei Beispiele für vollständige Unterrichtsreihen 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 46 AUSBLICK 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 47 Geplante Aktivitäten CERN Schülerlabor Weiterentwicklung der Lehrerfortbildungsprogramme ~ 200 m² mit verschiedenen Experimenten zur modernen Physik für rund 30 Schülerinnen und Schüler ausgelegt halbtägiges Programm zur Ergänzung der Besuchsprogramme inhaltlich Einführung einer Alumni-Betreuung Didaktik offene Doktorandenstellen zu Moderner Physik in deutschen Curricula „Physikunterricht 2.0“ 08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 48 Fragen ? ?
