Kamiokannen-Projekt in der Studienwoche vom 7.2. bis 11.2.2011

Der Leistungskurs Physik widmete sich in der Studienwoche vom 07.02.2011 bis zum 11.02.2011 der Untersuchung eines besonderen Elementarteilchens, dem Myon. Es lässt sich mit einer Experimentieranordnung namens Kamiokanne nachweisen. Der Name ist abgeleitet von dem japanischen Vorbild Kamiokande, einem großen Teilchendetektor, und der Tatsache, dass sich eine ähnliche Anordnung mit einer Kaffeekanne herstellen lässt. Ergebnis dieser Arbeit sollten Experimentieranleitungen für spätere Kurse des Physikunterrichts sein.

Das Projekt startete am 07.02.2011 um 9 Uhr in der Konrad-Wachsmann-Schule. Sie stellte dem Kurs freundlicher Weise das ganze zweite Obergeschoss des Anbaus zur Verfügung. Vielen Dank dafür.

Das Kamiokannen-Experiment: Jeder Teilnehmer war in der Lage, die Anordnung selbstständig aufzubauen.	Zwei parallel geschaltete Kamiokannen: durch Platzieren der Bleiblöcke zwischen den Kannen lässt sich die Einfallsrate beeinflussen.	Bleiblöcke, die zwischen zwei Kamiokannen gelegt werden, um das Durchdringungsvermögen der Myonen zu überprüfen.

Für die ganze Projektwoche wurden Gruppen zusammengestellt, die verschiedene Aufgaben erledigen sollten. Zur Auswahl standen die Untersuchung der Anzahl von einfallenden Myonen unter einem bestimmten Winkel, die Lebensdauer der Myonen, die Einfallsrate von Myonen und deren Vermögen, Materie zu durchdringen.

Begonnen wurde mit der Einführung in die theoretischen Hintergründe, die nötig sind, um den praktischen Teil des Projekts durchführen und nachvollziehen zu können.

Der Fachlehrer des Kurses, Herr Wolter, hielt einen Vortrag über kosmische Strahlung, dessen Umfang vom Urknall bis zur Messung von Elementarteilchen auf der Erde reichte. Auf diesen folgten Schülerkurzvorträge, in denen genauer auf die Tscherenkow-Strahlung, den Photomultiplier, die Zeitdilatation, die Längenkontraktion und die Eigenschaften von Myonen eingegangen wurde. Damit war das Verständnis aller Teilnehmer gewährleistet und es konnte mit der Betrachtung der Experimentieranordnung und der korrekten Anwendung der Software begonnen werden.

Ein Photomultiplier: Alle verwendeten Geräte und ihre Funktionsweise wurden genauestens erklärt.	Viele der Inhalte wurden von den Schülern in Gruppen erarbeitet und präsentiert.	Bei Fragen konnte Herr Wolter jeder Zeit konsultiert werden.

Der erste Schritt zum praktischen Teil war die Ausarbeitung eines Konzeptes, das allgemein die Durchführung der Experimente und die Auswertung der Ergebnisse festlegte. Bei diesem Prozess ergab sich, dass es für zwei von vier Experimenten sinnvoll war, diese über Nacht durchzuführen: Die hinreichende Menge an auswertbaren Daten erforderte eine Experimentierdauer von mindestens 12 Stunden. Die Experimente wurden gestartet und damit endete der erste Tag des Projektes um etwa 15 Uhr.

Am 08.02.2011 morgens wurde die Arbeit am Projekt wieder aufgenommen. Der gesamte Tag diente allen Teilnehmern als Experimentierphase, in der auch erste Schlussfolgerungen aus den ersten Messergebnissen gezogen werden konnten und die Herstellung der jeweiligen Experimentieranleitung begann.

Die Kamiokanne-Software erfasst die Messdaten in Tabellen oder Graphen.	Die erlangten Kenntnisse mussten nun zusammengetragen und angewendet werden.

Der dritte Tag diente dem Abschluss aller Experimente und der Klärung aller noch offenen Fragen um den erfolgreichen Abschluss der Auswertungen zu garantieren und eine hohe Qualität der Experimentieranleitungen zu sichern.

Der experimentelle Teil der Projektwoche war ein Erfolg und lief störungsfrei ab. Es ist ein lehrreicher und spannender Einblick in die Teilchenphysik gelungen, der die Fähigkeit des selbstständiges Arbeitens und Lösens von Problemen forderte und förderte. Zu erwarten sind fundierte Experimentieranleitungen für kommende Kollegiaten des Leistungskurs Physik. Man darf gespannt sein.

Für die Ausleihe, die Organisation und die wissenschaftliche Unterstützung bedankt sich der Kurs bei Frau Adelheid Sommer und Herrn Dr. Walter von DESY Zeuthen.

Physics Masterclasses

Am 29.10.2010 nahmen die beiden Physik-Leistungskurse des Victor-Klemperer Kollegs erfolgreich an den Physics-Masterclasses teil.

Zwei Physik-Doktoranden, die ihrerseits selbst am ATLAS-Experiment des CERN arbeiten, brachten den Kollegiaten diese Welt der Teilchenphysik etwas näher.

Im ersten Teil der Präsentation wurde ein Grundlagenverständnis bezüglich der Teilchenphysik geschaffen. Begriffe wie „femto“ und Elektronenvolt „eV“ oder Quark, Hadron und Beschleuniger wurden hierbei erläutert. Anschließend gab es eine kurze geschichtliche Einführung in den Aufbau der Materie vom Kristall hin zum Quark.

Im zweiten Teil wurde den Leistungskursen die unterschiedlichen Arten von Beschleunigern, ihre Funktionsweisen, Anwendungsgebiete sowie deren Aufbau näher gebracht. Hierbei gingen die Vortragenden besonders auf den Aufbau des DESY-Beschleunigers in Hamburg und dessen Funktionsweise ein. Anschließend wurde die Aufmerksamkeit auf die Detektoren, welche auch liebevoll „Auge des Physikers“ genannt werden, gelenkt. Anhand des Aufbaus der einzelnen Abschnitte eines Detektors erläuterten die beiden Studenten die physikalischen Grundlagen und die eigentlich logischen, aber dennoch genialen Ideen, die zu dieser Art der Konstruktion führten.

Im Anschluss an die Erklärung der Entstehung der Messwerte stand die selbständige Auswertung authentischer Daten des CERN durch die Teilnehmer. Bei dem Experiment, das diese Daten produzierte,  ging es darum, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer bestimmten Zerfallsart bei einer Teilchenkollision in einem Beschleuniger zu ermitteln. Dieses Schülerexperiment gab die Möglichkeit eines Einblickes in die Arbeit eines Wissenschaftlers an einem Teilchenbeschleuniger.

Schüler beim Auswerten authentischer Daten vom CERN	Die Doktoranden Lukas Heinrich (l.) und Carsten Kendziorra (m.) sowie Physiklehrer Victor Wolter	Erläuterung des schematischen Aufbaus eines CERN-Detektors im Multimediaraum des VKK Berlin

Nach der Auswertung von eintausend Kollisionen und der Errechnung der prozentualen Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Zerfallsart unter Berücksichtigung der statistischen Abweichung erfolgte der Vergleich mit theoretischen Werten. Er ergab, dass die Kollegiaten sehr gut gearbeitet hatten: Nur noch eine Abweichung von unter einem Prozent blieb. Daraus konnte man schlussfolgern, dass die Berechnungen am CERN, welche mit mehreren Tausenden solcher Messwerte ablaufen, eine Abweichung haben, die gegen Null geht und somit sehr genaue Rückschlüsse auf die Welt der Teilchenphysik zulässt.

Zum Schluss wurden dann noch einige Bilder über die Montage des LHC und Filme über die Funktionsweise gezeigt, kurz das ATLAS-Projekt am CERN näher erläutert und erklärt wie die Billionen von Daten aus dem LHC über das „Grid“ weltweit verteilt und ausgewertet werden.

Für die erfolgreiche Organisation und Durchführung der Veranstaltung bedanken wir uns ganz herzlich bei Frau Adelheid Sommer (DESY Zeuthen), bei Carsten Kendziorra (HU Berlin) und Lukas Heinrich (HU Berlin).

Nick Lobe (LK Physik 13) meint:

Meiner Meinung nach war das ein ganz und gar gelungenes Projekt, und ich denke, ich lehne mich nicht zu weit aus dem Fenster, wenn ich sage, dass es sehr interessant und unterhaltsam war - und wir alle an diesem Tag viel dazu gelernt haben.

Die Veranstaltung ... hat mir sehr gut gefallen und ich wünschte, dass auch andere Physikkurse daran teilnehmen könnten.

Teilchenphysik und Detektoren - ein ganzer Tag Physik. Das war eine interessante Veranstaltung, bei der wir viele Einblicke in die Arbeit am CERN ... gewonnen haben. Ich freue mich auf mehr.

Die Veranstaltung war sehr interessant. Ich habe viel Neues über Physik erfahren. Es war toll, was man alles machen Durfte. Solche Veranstaltungen sollte es öfter am Kolleg geben.

Ein interessantes und kompliziertes Thema von zwei Dozenten locker vermittelt.

Ich fand die Gliederung und die Informationen der Vorträge sehr gelungen. Der so ermöglichte Einblick in die Teilchenphysik ist sicher hilfreich für die Entscheidungsfindung bei der Studienwahl.

Alex Risch (LK Physik 12):

Dieser Vorträg war in jeder Hinsicht ansehnlich. Leider fehlte das Grundwisssen aus dem Unterricht. Dennoch hochinteressant.

Die Veranstaltung war sehr informativ ... Das Experiment war sehr interessant und lehrreich.

Für eine Einführung in das Thema war die Veranstaltung sehr interessant und verständlich. Ich hätte mir mehr Unterlagen zum Mitnehmen gewünscht.

Ich fand die Veranstaltung alles in allem interessant ... und das Catering war gut.

Mir persönlich hat es Spaß gemacht. Besonders den Aufbau des Teilchenbeschleunigers fand ich sehr interessant, da ich mich zu den Technikbegeisterten zähle.

Desy Zeuthen	CERN in Genf	Masterclasses	BMBF	HU Berlin