Programme für Lehrer und Schüler am CERN

… das Labor … die Programme … Ideen zur modernen Physik im Unterricht …

Dr. Sascha Marc Schmeling

CERN PH

European Organization for Nuclear Research

Über 50 Jahre Grundlagenforschung

Überblick

CERN – Organisation, Teilchenphysik, Forschung

Programme für Lehrer und Schüler

CERN Besuchsprogramm

Lehrerfortbildungen

Schülerprogramme

Inhalte

Teilchenphysik

Beschleuniger und Experimente

Labore und Workshops

Resourcen

Ausblick

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CERN

Geschichte

1949 Erste Ansätze ziviler Forschung

im Bereich der Nukleartechnik

1952 Gründung des

Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire unter der Obhut der UNESCO

Oktober 1952 Standortauswahl für Genf

1. Juli 1953 Unterzeichnung der CERN

Charta

29. September 1954 Abschluß des

Ratifikationsprozesses in den ursprünglichen zwölf Mitgliedsstaaten

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CERN – Das Laboratorium

Menschen bei CERN – Januar 2012

Angestellte

Staff 2420

Fellows 487

Abgeordnete

Wissenschaftler 61

Projektpersonal 161

Studenten 134

Doktoranden 148

Sonstige 805

Firmen 3818

User 10685

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Beschleuniger bei CERN

Weitere Aktivitäten am CERN

… eine kleine Auswahl …

p + C (Wechselwirkungen) p+, K+ (Zerfall) m+ + nm

700 m 100 m 1000m 67 m

CERN Neutrinos zum Gran Sasso

CERN bis zum Gran Sasso :

732 km in einer Tiefe bis zu 11.4 km

Antimaterie

S. Myers QUB March 11, 2009

Tom’s Angels and

demons

Anwendung von Antimaterie - Tumorbekämpfung

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ACE Experiment bei CERN

*) Antiproton Cell Experiment

PROGRAMME AM CERN

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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. 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

D

Total

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Schülerpraktika 2008-11 und Besuchsprogramme

Internatsschule Schloß Hansenberg

Bisherige Programme

13.-26. April 2008

13 Teilnehmer, 11 verschiedene Plätze

19. April-2. Mai 2009

8 Teilnehmer, 8 verschiedene Plätze

11.-24. April 2010

12 Teilnehmer, 10 verschiedene Plätze

9.-20. Mai 2011

12 Teilnehmer, 8 verschiedene Plätze

15.-28. April 2012

12 Teilnehmer, 8 verschiedene Plätze

Schülerbesuchsprogramme

Netzwerk Teilchenwelt

Workshops

Vorlesungen

Masterclasses

Workshops

Praktikumswochen

Schülerforschungsarbeiten

viele verschiedene Schulen

mehrtägige Programme

ausgedehnte Visits

Masterclasses

Workshops

im Rahmen des Machbaren sind auch weitere Programme möglich

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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

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GTP –Deutschsprachige Lehrerfortbildungen

Sonntag Abend – Freitag Mittag Vorlesungen

CERN Einführung Teilchenphysik Teilchendetektoren Teilchenbeschleuniger Antimaterie Kosmologie Anwendungen IT/Medizin Nationale Ressourcen Curriculum

umfangreiches Besuchsprogramm Praktika

Schulversuche zur Teilchenphysik – Teachers‘ Lab Bau von Nebelkammern neu: Teilchenphysik-Masterclasses

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Teilnehmer an deutschsprachigen Programmen

0

20

40

60

80

100

120

140

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

HST

PhT

GTP

ATP

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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

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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

„Masterclasses und der LHC“

„Cosmic Experimente im Unterricht“

mehrere Vorschläge in der Ideen- und Planungsphase

Betreuung von Examenskandidaten

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INHALTE

Ausgewählte

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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

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1900

1910

1920

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

Felder Teilchen Elektro- magnetismus

Spezielle

Relativität

Quantenmechanik

Welle-Teilchen Dualismus

Spin/Fermion-Boson

Antimaterie

W Bosons

QED

Maxwell

SUSY

Higgs

Superstrings

Universum

Newton Kinetische Gastheorie

Brownsche

Bewegung

Allgemeine

Relativität

Big Bang

Nukleosynthese

Inflation

Atom

Kern

e-

p+

n

Teilchen-

zoo

u

μ -

π

νe

νμ

ντ

d s

c

τ-

τ-

b

t

Galaxien; Ausdehnung des Universums

Kernfusion

Kosmische Hintergrundstrahlung

GUT

ν Masse

QCD

Farbladung

Dunkle Energie

Dunkle Materie

W Z

g

Photon

Schwache WW

e+

p-

Fermi

Theorie Yukawa

π Austausch

Boltzmann

Radio-

aktivität

Technologien

Geiger

Wolken

Blasenkammer

Zyklotron

Detektor Beschleuniger

Höhen-strahlung

Synchrotron

e+e- Ring

p+p- Ring

Strahlkühlung

Vieldrahtkammer

Prozessrechner

WWW

GRID

Moderne

Detektoren

P, C, CP

Verletzung

STANDARD MODEL

EW Vereinigung

3 Teilchenfamilien

Inhomogenität der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP)

1895

1905

1975

Elektromagnetismus

Starke WW

Elektroschwache WW 1973

Entdeckung “neutraler Ströme” am CERN (1973)

• Neutrino Strahl auf Blasenkammer gerichtet

• Ein Elektron mit hoher Energie erscheint aus dem ‘Nichts’

e

Zo

ν

Neutral current

ν

e

Elektroschwache WW 1983

Entdeckung der W und Z Bosonen am CERN (1983)

Carlo Rubbia, Simon van der Meer W Ereignis im UA-1 Detektor

Elektroschwache Wechselwirkung

n p e νe + +

d u e νe + +

“Universalität” : Leptonen und Quarks

w-

μ νμ

e νe

w-

e νe

d u

μ νμ e νe + +

Müon-Zerfall:

Neutron-Zerfall:

Beschleuniger bei CERN

Strahlenergie = Protonenenergie Anzahl der Wolken Anzahl der Protonen pro Wolke

Protonenenergie: 7 TeV

bei höchster Intensität:

Anzahl der Wolken pro Richtung: 2808

Anzahl der Protonen je Wolke: 1.05 1011

Strahlenergie (pro Richtung): 346 MJoule

25 ns

Strahlenergie

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Gespeicherte Energie in den Magneten

E Dipol = 0.5 L Dipol I 2

Dipol

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

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Teilchen – Teilchen

Interaktionen • Streuung

• Annihilation

• und die Produktion neuer Teilchen

• All Ereignisse entstehen durch

– Colliding Beam Experiments

– Fixed Target Experiments

Detektionskonzepte

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CMS: Kaverne und Gebäude

SDX

SX5

USC

UXC

SCX

Experiment Kaverne

Infrastruktur:

z.B. PCs, Auslesemodule

4 stöckig

16 Million channels

100 kHzLEVEL-1 TRIGGER

1 Megabyte EVENT DATA

200 Gigabyte BUFFERS

500 Readout memories

3 Gigacell buffers

500 Gigabit/s

Gigabit/s SERVICE LAN Petabyte ARCHIVE

Energy Tracks

Networks

1 Terabit/s(50000 DATA CHANNELS)

5 TeraIPS

EVENT BUILDER.A large switching

network (512+512 ports) with a total throughput ofapproximately 500 Gbit/s forms the interconnectionbetween the sources (Readout Dual Port Memory)and the destinations (switch to Farm Interface). TheEvent Manager collects the status and request ofevent filters and distributes event building commands(read/clear) to RDPMs

EVENT FILTER. It consists of a set of high

performance commercial processors organized into manyfarms convenient for on-line and off-line applications.The farm architecture is such that a single CPUprocesses one event

40 MHzCOLLISION RATE

Charge Time Pattern

Detectors

Computing services

HLT (High Level Trigger)

entworfen für ca. 100Hz

- Unterdrückung Faktor 1000

~2000 CPUs

DAQ akzektiert

Level-1 Rate of 100kHz

CMS Trigger and DAQ

Alle 25 ns

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

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Webresourcen Allgemein

Alle Ergebnisse des HST-Programms:

Teachers.cern.ch

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Deutschsprachiges Unterrichtsmaterial

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Unterrichtsreihen

Kosmische Höhenstrahlung

Zwei Beispiele für vollständige Unterrichtsreihen

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AUSBLICK

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Geplante Aktivitäten

CERN Schülerlabor

~ 200 m²

mit verschiedenen Experimenten zur modernen Physik

für rund 30 Schülerinnen und Schüler ausgelegt

halbtägiges Programm zur Ergänzung der Besuchsprogramme

Weiterentwicklung der Lehrerfortbildungsprogramme

inhaltlich

Einführung einer Alumni-Betreuung

Didaktik

offene Doktorandenstellen zu

Moderner Physik in deutschen Curricula

„Physikunterricht 2.0“

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