W - Bildungsportal Sachsen

Vermittlung fundamentaler Physik an Schulen
am Beispiel der Teilchenphysik
Michael Kobel, TU Dresden
Vorlesung Lehramt
06.01.2011
I. Fundamentale Physik
►Warum sind die Dinge so, wie sie sind?
►Erforschung grundlegender Fragen
nach Entstehung und Aufbau der Welt
(Urknall, Kosmologie, Materie, Bausteine, Wechselwirkungen…)
06.01.2017
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Nachwuchs und Dialog
►„Die Sicherung des wissenschaftlichen Nachwuchses,
der ja nicht nur für sie selbst, sondern für die Zivilgesellschaft als Ganzes
von hervorragender Bedeutung ist, wird nicht durch PR-Kampagnen erreicht,
sondern durch die Konzentration auf jene Öffentlichkeiten,
um deren Gewinnung es letztlich geht.
►Das sind zum einen […]Studenten […]. Zum anderen sind es die
Schüler, deren Neugier in Begeisterung für die Wissenschaft
umgewandelt werden muss. […]
►In solchen Projekten sind die Wissenschaft und Schülerinnen
und Schüler in einen wirklichen Dialog eingebunden.“
Weingart, Peter: Die Wissenschaft der Öffentlichkeit.
Essays zum Verhältnis von Wissenschaft, Medien und Öffentlichkeit
Velbrück Wissenschaft, Weilerswist 2005
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Bedeutung eines „großen Bildes“
S
S
S
S
S
►LHC:
 Nachstellen der
Prozesse zwischen
Elementarteilchen
10-12 s nach dem
Urknall
Teilchenbeschleuniger:
LHC
LEP
http://lhc-milestones.web.cern.ch/lhc-milestones
06.01.2017
Geschichte der Physik
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt Zurück zum Urknall
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II. Chancen und Herausforderungen
►Chancen
 Faszination der fundamentalen Fragen
 Faszination der Begriffe (Urknall, Antimaterie, …)
 Faszination der experimentellen Aufbauten (CERN)
 Grundlagenforschung als Kulturgut und intellektueller Gewinn
►Herausforderungen
 Teilchenphysik in Schulcurricula wenig vertreten
 Suche nach Antworten auf noch nie selbst gestellte Fragen
 Große Zahl neuer Begriffe in sehr kurzer Zeit
 Viele neue Konzepte und Vorstellungen
 Herstellung des Bezugs zur Erfahrungswelt
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Was leistet die Astro-/Teilchenphysik?
►Transparenz und Dialog
 Transparenz durch „offene Türen“ des CERN
und aller deutscher Forschungseinrichtungen
 Dialog zwischen Wissenschaftler/innen,
Jugendlichen und Lehrkräften
►Teilhabe an Daten und Forschung
 Veranstaltungen mit Dialog zu Wissenschaftlern
 Zugang zu Originaldaten und Datenanalyse
►Wissenstransfer in die Schulen
 Lehrerfortbildungen über aktuelle Entwicklungen durch Wissenschaftler
 Schul-Experimente für Erfassung eigener Daten
 Erstellung von Schulmaterialien
gemeinsam mit Didaktikern, Lehrkräften und Kommunikatoren
►„Outreach“ ist Teil der fundamentalen Forschung
 Transfer des Wissens in die Öffentlichkeit spielt für Grundlagenforschung
ähnliche Rolle wie Technologietransfer für angewandte Forschung
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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III. Das Konzept der Masterclasses
►Idee:
 Jugendliche als „Forscher für einen Tag“
 Anleitung durch Teilchenphysiker/in
als Experte = “Master” (Meisterkurs)
 Einführende Vorträge
 Messung mit Original-Daten
►2 Formate:
Netzwerk Teilchenwelt
International Masterclasses
• Lokale Masterclasses überall in D
• Forschungsinstitut lädt Schüler ein
• ca. 100 Masterclasses / Jahr
• Einmal im Jahr, 4 Wochen lang
• Forscher/innen gehen in die Schulen
• weltweit
• Mehrstufiges Vertiefungsprogramm
• Videokonferenz mit CERN
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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III.1. International Masterclasses
www.physicsmasterclasses.org
• 1997: erstmals Masterclasses in Teilchenphysik in UK
(R. Barlow et al.), Messung mit LEP Daten
– OPAL Identifying Particles
– DELPHI Hands on CERN
• 2005: World Year of Physics - EPPOG/IPPOG startet
europaweites Programm unter Leitung von M. K.
IPPOG: International Particle Physics Outreach Group
Netzwerk von Wissenschaftlern und Kommunikatoren
• 2006: USA erstmalig dabei (QuarkNet)
• 2011: ausschließlich Messungen mit LHC-Daten
• 2012: alle Kontinente vertreten
• 2014: alle 4 LHC Experimente (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb)
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Vorträge
Sammeln der Ergebnisse
und lokale Analyse
Messungen
Internationale Videokonferenz
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International Masterclasses 2016
2016: von 11.Februar – 23.März
• 47 Länder, > 200 Unis + Institute
• Koordination
• Dresden (U. Bilow): blau
• Fermilab (K. Cecire): grün
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
200
12000
10000
150
8000
6000
100
4000
50
2000
0
0
2005
2007
2009
2011
Countries
06.01.2017
2013
2015
2005
2007
2009
Institutes
2011
2013
2015
US program
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2005
2007
2009
2011
2013
2015
Participants (students)
10
10
Seit 2011 Messungen mit LHC-Daten
www.physicsmasterclasses.org/index.php?cat=physics
►vielfältige Aufgaben
 Event displays, Ereignisse identifizieren
 Histogramme erzeugen ((Masse, Winkelverteilung)
 Datenqualität untersuchen
ATLAS
W Pfad (TU Dresden)
Z Pfad
CMS
J/Ψ data quality
W,Z,H analysis
►frei verfügbar für alle pädagogischen Zwecke,
nicht nur für Masterclasses
ALICE
Strange Particles
Modification Factor RAA
►stets aktuell auf Augenhöhe mit d. Forschern
 2012: Higgs in simulierten Daten
 2013: echte Higgs-Kandidaten
LHCb
Charm lifetime
seit kurzem: IceCube-Masterclass
in Testphase: Auger-Masterclass
in Zukunft: TOTEM-Daten
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MINT-EC Schulleitertreffen
11
11
Messungen im „W-Pfad“ des ATLAS Experiments
Higgs-Signal akkumuliert bei kleinen Winkeln
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
Zerfall von W-Bosonen  Struktur des Protons
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Erlernen von Teilchenidentifikation
► Zwiebelschalenartiger Aufbau
verschiedener Komponenten
► Jede Teilchenart hinterlässt
bestimmte Kombination von Signalen
in den Komponenten
►Aufgabe: Mustererkennung
►Feststellbare Eigenschaften:
 aus Quarks („Hadronen“)
 elektrisch geladen / ungeladen
 leicht / schwer
►Kenntnis - Voraussetzung:
 Teilchenladungen
 Teilchenmassen
 Teilchensubstruktur
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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https://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Detektoren
Bildgebend
z.B.: Nebelkammer, Blasenkammer
Elektronisch
z.B: ATLAS-Detektor, Geigerzähler
►elektrische Signale
►sichtbare Teilchenspuren
►Teilchenidentifikation durch Mustererkennung
06.01.2017
06.01.2017
DPG
Lehrkräftetag,
Vorlesung
TeilchenHamburg
und Kerne Lehramt
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Was kollidiert am LHC eigentlich?
Wechselwirkung nur von Bruchteilen des Protons (Partonen: Quarks und Gluonen )
Schwerpunktsenergie der kollidierenden Partonen (q, g)
1
′ ≈
ESP
ESP (pp)
10
′
E SP
Neue Teilchen mit Massen bis zu 1-2 TeV (ca. 1000 Protonmassen) erzeugbar
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Vorlesung Teilchen und Kerne
Lehramt
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Die Entdeckung des W
1983 am Super-Antiproton-Proton Synchrotron (SppS) am CERN
• Erstes Ereignis pp  W + Jets  eν + Jets
• Das Elektron ist durch den roten Pfeil gekennzeichnet
• Das Neutrino wird durch fehlenden Transversalimpuls
(für Summe *aller* Spuren!) indirekt nachgewiesen
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Vorlesung Teilchen und Kerne
Lehramt
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Wie erkennt man W-Bosonen?
Man sucht nach ihren Umwandlungsprodukten.
W-Bosonen können sich so umwandeln:
• W± → Quark + Antiquark
• W- → Lepton (e-, µ-, τ-) + Antineutrino
W+ → Antilepton (e+, µ+, τ+) + Neutrino
W-
Art der
Zerfallsprodukte
(Anti-)Lepton(e, µ, τ) +
(Anti-) Neutrino
Quark + Antiquark
Wahrscheinlichkeit
33,3%
66,6%
Möglichkeiten
3
6
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Beste Signaturen des W-Teilchens
• Am einfachsten zu sehen : ev
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und µv
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Lehramt
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Charakteristik

fehlender Impuls durch Neutrinos senkrecht zum Strahl: pTmiss

Definition: fehlende „transversale“ Energie: ETmiss := |pTmiss|c
sichtbar: elektrisch geladenes Lepton
W  ev
W  µv
aber trotzdem immer vorhanden: „Signal“ und „Untergrund“
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Vorlesung Teilchen und Kerne
Lehramt
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Wie genau entsteht das W?
• Bei Antiproton-Proton pp Kollisionen ?
• Bei pp Kollisionen ?
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Vorlesung Teilchen und Kerne
Lehramt
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Wie entstehen W-Bosonen?
• Zusammenstoß von Protonen im LHC:
Beim Zusammenstoß von Quarks und Gluonen wird
Bewegungsenergie in Ruheenergie(Masseenergie) umgewandelt.
W+
u + g → W+ + d
W
-
d + g → W- + u
 In welchem Verhältnis sollten W + und W - im LHC entstehen?
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Mögliche Herstellung am LHC
• Entweder durch Gluon-Quark oder Gluon-Gluon
• Aus den auslaufenden Quarks entstehen Jets
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Vorlesung Teilchen und Kerne
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Der Brout-Englert-Higgs Mechanismus
►Vakuum mit BEHiggs-Feldstärke v = 0
 alle Teilchen sind masselos
 bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit
►Vakuum mit BEHiggs-Feldstärke v ≠ 0
 Teilchen werden durch Wechselwirkung
mit dem Feld verlangsamt
 Teilchen erhalten effektiv eine Masse
 Wert hängt von der Stärke der
Wechselwirkung mit dem Feld ab
►Higgs-Teilchen
 Quantenmechanische Anregung
des Hintergrundfeldes
 Notwendige Konsequenz des Konzepts!
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Mechanische Analogie zur Higgs-Produktion
► Luft (~ Hintergrundfeld) normalerweise kaum zu spüren
am Besten erfahrbar, wenn es in Bewegung ist
► Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft
~ Objekte hoher Masse erzeugen Anregung im Hintergrundfeld
= Higgs-Teilchen
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Higgs Suche am LHC

Higgs Masse vorher unbekannt:

Viele Produktionsmechanismen
Viele mögliche Zerfälle

Als Funktion der Masse vorhersagbar

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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
HZZ 4 Leptonen (e oder µ)
 „Goldener Kanal“ (praktisch kein Untergrund außer ZZ ohne Higgs)
 Sensitivster Endzustand für 200 GeV<mH<275 GeV
 zweitsensitivster (nach WW) für 130 GeV<mH<200 GeV
 Sehr gute Massenrekonstruktion möglich
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Vorlesung Teilchen und Kerne
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H  γγ
 Empfindlichster Kanal bei mH < 120 GeV
 Zweitempfindlichster Kanal bei 120<mH<130 GeV
 Erwartung kleines Signal bei sehr großem Untergrund
 Zusätzliches Problem:
Überlagerung vieler pp-Kollisionen
Photonen besitzen keine Teilchenspur !
 Kalorimeter-Segmentierung hilft gegen π0 Untergrund
und falsche Kombinationen aus verschiedenenVertices
•
Extrapolation ergibt Vertex-Zuordnung mit Präzision von wenigen mm
Wenn Photonen aus Higgs-Zerfall,
dann ist dessen Masse berechenbar:
mγγ2 =2E1E2(1-cosθ)
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Gemessenes 2-photon-Massenspektrum
Am 4.7.2012
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Hymne eines kanadischen Studenten
Tim Blais (fast 800.000 views)
There's a collider under Geneva
Reaching new energies that we've never achieved before
Finally we can see with this machine
A brand new data peak at 125 GeV
See how gluons and vector bosons fuse
Muons and gamma rays emerge from something new
There's a collider under Geneva
Making one particle that we've never seen before
The complex scalar
Elusive boson
Escaped detection by the LEP and Tevatron
The complex scalar
What is its purpose?
It's got me thinking
Chorus:
We could have had a model (Particle breakthrough, at the LHC)
Without a scalar field (5-sigma result, could it be the Higgs)
But symmetry requires no mass (Particle breakthrough, at the LHC)
So we break it, with the Higgs (5-sigma result, could it be the Higgs)
Baby I have a theory to be told
The standard model used to discover our quantum world
SU(3), U(1), SU(2)'s our gauge
Make a transform and the equations shouldn't change
The particles then must all be massless
Cause mass terms vary under gauge transformation
The one solution is spontaneous
Symmetry breaking
Roll your vacuum to minimum potential
Break your SU(2) down to massless modes
Into mass terms of gauge bosons they go
Fermions sink in like skiers into snow
www.youtube.com/watch?v=VtItBX1l1VY
Lyrics and arrangement by Tim Blais and A Capella Science
Alle A Capella Science videos:
Original music by Adele
https://www.youtube.com/user/acapellascience/playlists
Suche nach W-Paaren, z.B. W+W-µ+ν e-ν
Vorlesung Teilchen und
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Konkurrenz anderer Prozesse („Untergrund“)
 Scheinbares WW-Paar W+W-  µ+v µ-v über
Z µ+µ- und fehlende Energie durch exp. Messunsicherheiten
Vorlesung Teilchen und
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HWW: Massenreko erschwert wg. Neutrinos
(Bilder zeigen nur Teilmengen der Daten von 4.7.12.)
 Spin-Korrelation:
• Leptonen aus HWW Zerfall
bevorzugen kleine ∆Φ Öffnungswinkel
W+
H
W+
WW-
e-
ν
ν
μ+
1.lepton
∆φll
 Untergrundprozesse
• Direkte WW ohne Higgs:
•
„flach“ in ∆Φ (blau)
Andere WW (z.B. aus top)
o. scheinbare WW (z.B. aus Z):
„ansteigend“ in ∆Φ (gelb/grün)
2.lepton
 Suche Überschuss bei kleinen ∆Φ
Vorlesung Teilchen und
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Gemessene Kopplungen (~Masse)
 Vorhersage für Higgs:
• Kopplung ~ Masse
 Experiment:
bestätigt über Bereich
von Faktor 100 für
•
•
Bosonen: W,Z
Fermionen: τ, b, t

Quelle: http://inspirehep.net/record/1261762/files/CMS-Regge.png
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III.2. Netzwerk Teilchenwelt
►24 Standorte in 12 Bundesländern
 insgesamt 26 Institute + CERN
 Leitung: TU Dresden
►Daten aus der Teilchenphysik und
Astroteilchenphysik in die Schulen
bringen
►Projektziele:
 Faszination Teilchenphysik erleben
 Wissenschaft kommunizieren
 Forschung vor Ort und im Unterricht
 Wertschätzung von Erkenntnisgewinn
Kiel
Duisburg-Essen
durch Grundlagenforschung
 Breiten- und Spitzenförderung
 Nachwuchsgewinnung
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Das Konzept
Authentische
Erfahrungen
Einblick in den
Forschungsprozess
06.01.2017
Unmittelbarer
Kontakt zur
Grundlagenforschung
Analyse
echter Daten
Forscher für
einen Tag
Bezug
Experiment
↕
Theorie
Persönlicher
Kontakt zu
Wissenschaftlern
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
Eigene
„hands-on“
Aktivitäten
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06.01.2017
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Das Konzept: Stufenprogramm
Forschungsprojekte
Forschungsmitarbeit
Vertiefte
Schulung am
CERN
Vertiefungsprogramm
(CERN)
CERNWorkshops
Projektwoche
Aktive Mitarbeit
Qualifizierungsprogramm
Aktive Mitarbeit
Durchführung eigener Projekte
Teilnahme an
Fortbildungen und
einführenden
Veranstaltungen
Basisprogramm
Lehrkräfte
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Forschungsarbeiten
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
Weitergabe des Gelernten
AstroteilchenForschungswochen
Teilnahme an
Masterclasses
(Teilchenphysik-, International-,
Astroteilchen-Masterclasses)
Jugendliche
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Bau einer Nebelkammer
Ionisierende Teilchen sichtbar machen
 Aus Atmosphäre / kosmischer Strahlung
 Aus Umgebung / Luft / Wände
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Blasen- und Tropfchenbildung an „Unreinheiten“
(Flugzeug!)
47
Inhalt eines Experimentiersets
Material für 10 Nebelkammern
10 Bauanleitungen
Hinweise und Kopiervorlagen
nicht enthalten sind Verbrauchsmaterialien:
Isopropanol und Trockeneis
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Bau einer Nebelkammer
Funktionsweise Nebelkammer
• Alkohol verdampft bei Raumtemperatur bis zur Sättigung des Volumens
• Alkoholdampf sinkt aufgrund Gravitation nach unten und kühlt dabei ab
• Oberhalb der Metallplatte geht der Alkoholdampf in einen
übersättigten Zustand über
Temperatur
• Geladene Teilchen ionisieren Atome und erzeugen Kondensationskeime im
übersättigten Medium
• an diesen
kondensieren
~ +20°C
Alkoholmoleküle zu
Alkoholgetränkter Filz
Tröpfchen
Übersättigte Schicht
Trockeneis
50
~ -78°C
Experimentieren mit einer Nebelkammer
~ +20°C
Temperatur
Alkoholgetränkter Filz
Übersättigte Schicht
~ -78°C
Trockeneis
51
Spuren in der Nebelkammer auswerten
Dicke, kurze Spuren
α-Teilchen (Helium-Kern)
aus Zerfall von Radon in der Umgebungsluft
Dünne, krumme Spuren
niederenergetische Elektronen oder Positronen
aus β-Strahlung Luft / Wände
oder Umwandlung (Zerfall) „kosmischer“ Myonen
Dünne, lange, gerade Spuren
Myonen aus kosmischen Strahlung
(oder hochenergetische Elektronen oder
Positronen )
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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06.01.2017
Protonen,
Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
Atomkerne
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Projekte mit kosmischen Teilchen
www.teilchenwelt.de/angebote/astroteilchen-experimente
► Zwei Experimente zum Nachweis kosmischer Myonen:
Kamiokanne und Szintillationszähler
► Zur Ausleihe an Schulen nach vorheriger Fortbildung
► Geeignet für kleinere Gruppen in allen Programmstufen
 Messungen (Winkel, Lebensdauer, Abschirmung)
 Datenanalyse (Prüfung von theor. Modellen)
 Softwareentwicklung (Datennahme, Grafiken)
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Eigene Datenaufnahme und Auswertungen
►Winkelverteilung
►Lebensdauer
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Weitere Informationen und Kontakte…
www.teilchenwelt.de
http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-lehrkraefte/selbstbaueiner-nebelkammer/
Netzwerk Teilchenwelt: [email protected]
Astroteilchen-Projekte: [email protected]
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Win4 Situation für Beteiligte
►Schüler/innen -> Student/innen
 Faszination Forschung über eigene Messungen
 Kontakte zu Unis und Forschern
 Bundesweite Kontakte untereinander (facebook, fellows)
 Begleitung im Studium von Anfang an (neu)
►Lehrkräfte:
 Eigene Weiterbildung
 Austausch mit Kolleg/inn/en und Forschern
 Anregungen und Materialien für den eigenen Unterricht
►Vermittelnde Doktorand/inn/en der Teilchenphysik
 Erkennen gesellschaftliche Relevanz Ihrer Arbeit
 Soft skills: Wissenschaftkommunikation, Didaktik (Zertifikate)
 Blick über den Tellerrand (Teilchen<->Astro, Theorie <->Exp)
►Standorte:
 Tragen eigene Forschung in Schulen und Öffentlichkeit
 Langfristige Kontakte mit den besten zukünftigen Studierenden
 Unterstützung bei Organisation, Material
und ggflls Personal (z.B. in Qualifizierungsstufe)
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IV. Materialien für die Schule
1. Materialsammlung
www.teilchenwelt.de/material
 2013 mit Uni Würzburg
►Teilchensteckbriefe
 2 Varianten
 Gelegenheit zu eigenen Aktivitäten
 ordnen, diskutieren, vertraut werden
►Hintergrundinformationen und Arbeitsblätter
 Vor- und Nachbereitung von Masterclasses
 Methoden, Anwendungen, Kosmologie
 72 Seiten
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2. LEIFI Physik Portal
www.leifiphysik.de/themenbereiche/
teilchenphysik
 2014 mit Joachim Herz Stiftung
 über 40 Seiten Texte u. Animationen
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3. Astro-/Teilchenphysik im Unterricht
►Unterrichtsmaterialien 2014/15
mit Joachim Herz Stiftung
►Fachtexte, Aufgaben und Lösungen, Arbeitsblätter,
Anknüpfungspunkte an den Lehrplan, Vorkenntnisse, Lernziele,
methodische Hinweise, fachliche Hinweise
►Vier Bände




Teil 1: Wechselwirkungen, Ladungen und Teilchen
Teil 2: Forschungsmethoden der Teilchenphysik
Teil 3: Kosmische Strahlung
Teil 4: Mikrokurse
►Erscheinungsjahr: 2016
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Didaktische Ziele
►Erklärungsvermögen der Physik
 Wenige Prinzipien  erklären viele Phänomene
►Erarbeitung dieser Grundprinzipien
 Vermeiden von Auswendiglernen
 Einführung der essentiellen (auch theoretischen) Grundbegriffe
►Hilfe für Herausforderungen für Lehrkräfte
 Anschluss an bisherige Begriffe
 Änderungen der Vorstellungen / Modelle
 Begrenzung der Mathematisierbarkeit
►Mehrwert
 Erlernen von Einlassen auf völlig Neues
 Einblick in „Physikalische Eleganz“
 Faszination der Forschungsmethoden und Erkenntnisse
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Vorlesung Teilchen und Kerne Lehramt
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Unsere Wünsche / Ziele
►Vermittlung der *wirklichen* Forschungserkenntnisse
 Übergreifende Zusammenhänge
 Kein Auswendiglernen von Teilchen
►Standards der Begriffsbildung
 Ladungen und Wechselwirkungen als zentrale Begriffe
 Klärung von verbreiteten Irrtümern
►Anschlussfähigkeit in Schulen
 Potenzielle Energien
 Feldlinien, …
►Möglichst breite Verwendung in Fortbildungen
 Erste Tests: DESY in Zeuthen 26.2, Bensberg, NRW, 9.3.
 „Fortbildungen der Fortbilder“
 Bundesweite Fortbildungen von Lehrkräften ab 2017
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