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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
08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 2
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
08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 4
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
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. 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
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
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
08.06.2012 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
~ 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“
08.06.2012 Sascha Schmeling • CERN 48
Fragen ?
?
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