Erforschung des Unsichtbaren

Dunkle Materieund

ATLAS@CERN

Autor: Dr. Christian Reimers

▲Geschätzte Verteilung von Materie und Energie im Universum (Quelle: NASA)

▲ ATLAS-Detektor (Quelle: CERN)

Einleitendes Kapitel und Vorbereitungsphase

• Kurze Beschreibung: Der Großteil der Materie ist unsichtbar, da sie (fast) keine Strahlung abgibt. Wir kennen sie als Dunkle Materie. Wie können wir diese nun erforschen und messen? Dies ist eines der Ziele des ATLAS@CERN-Experiments, um Klarheit zu bekommen. Dies soll in diesem Lernpfad den StudentInnen näher gebracht werden.

• Schlagworte: Dunkle Materie, Teilchenphysik, CERN, ATLAS

• Zielgruppe: StudentInnen

• Altersbereich: 15-18 Jahe

• Kontext: Schule

• Zeitaufwand: 4 - 5 Unterrichtseinheiten

• Technische Voraussetzungen: PC/Notebook mit Internet-verbindung

• Hintergrund des Autors: Mathematik, Physik und Astronomie, Lehrbeautragter der Universität

• Lehrplanbezug: Bau der Materie, Elektromagnetismus, Gravitation• Lernziele: Die StudentInnen lernen …

– zu verstehen, wie Materie definiert und aufgebaut ist– zu verstehen, wie unsichtbare Materie und Teilchen

nachgewiesen und gemessen werden können – einen wissenschaftlichen Bericht zu schreiben

• Anleitungen zur Vorbereitung: Führen Sie einige grundlegende Definitionen in der Physik (Elektromagnetismus) und Astronomie (Galaxien, Gravitation Linse, Schwerkraft, etc.) ein. Organisieren Sie einen Ausflug zu einem Wissenschafts-/Technik-Museum oder Ausstellung mit einer Funkenkammer oder Nebelkammer.

Einleitendes Kapitel und Vorbereitungsphase

Phase 1: Fragen hervorrufen

Neugier wecken: ATLAS und Dunkle Materie• Der Lehrer/Die Lehrerin versucht die Aufmerksamkeit der

SchülerInnen durch eine Präsentation mit geeignetem Material zu gewinnen.– ATLAS@CERN

• “Dark Matter Searches with ATLAS”http://cdsweb.cern.ch/record/1190231

• “Search for Dark Matter Candidates in ATLAS”http://cdsweb.cern.ch/record/1247014

– Beweise für Dunkle Materie• Basierend auf astronomische Beobachtungen• Reine Gravitationswechselwirkungen

Phase 1: Fragen hervorrufen

Neugier wecken: Beweise für Dunkle Materie– Gravitationslinsen

– Rotationskurven von Galaxien

▲http://burro.cwru.edu/JavaLab/RotcurveWeb/main.html

► NASA/ESA/HST: Dieses vom Hubble Space Telescope erzeugte Bild zeigt einen gespenstischen "Ring" der Dunklen Materie im Galaxienhaufen Cl 0024 +17. Die ringförmige Struktur in der blauen Karte des Clusters ist offensichtlich die Verteilung Dunkler Materie. http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/news/dark_matter_ring_feature.html

◄ Beispiele für Rotationskurven von 1) einem starren Körper, 2) dem Sonnensystem und 3) einer Spiralgalaxie.

http://astronomy.swin.edu.au/cms/astro/cosmos/R/Rotation+Curve

Phase 1: Fragen hervorrufen

Fragen stellen, die vom jetzigen Wissensstand ausgehen

• Die Studierenden werden von wissenschaftlich orientierten Fragen durch den/die Lehrer/in zum Nachdenken angeregt.

– Was ist Dunkle Materie und kosmische Strahlung?– Was sind laufende Experimente am CERN?– Wie LHC, ATLAS, CMS, etc. funktionieren und wie

sie Partikeleigenschaften messen ?– Wie viel Energie könnten wir erreichen (TeV, PeV)?– Was ist mit SUSY, Neutrinos, WIMPs, Higgs?

► http://www.ecap.physik.uni-erlangen.de/~katz/ws03/atp/talks/ar/AR.pdf

Phase 2: Aktive Untersuchung

Vorläufige Erklärungen vorschlagen und Hypothesen entwickeln

• Studierende schlagen einige mögliche Erklärungen zu den Fragen vor, die aus der früheren Tätigkeit entstanden sind. Der Lehrer/Die Lehrerin zeigt mögliche Missverständnisse auf.– Standardmodell– …

Phase 2: Aktive Untersuchung

Einfache Untersuchungen planen und durchführen

• Studierende sollen sich vorrangig auf Beweise stützen, die ihnen die Entwicklung von Erklärungen der wissenschaftlich orientierten Fragen erlaubt. Der Lehrer/Die Lehrerin fördert diesen Prozess.

Wie erkennen wir unsichtbare Teilchen?Könnte diese Teilchen Dunkle Materie erklären?

finde es heraus mit moCERN (Online oder Mobil)http://www.learningwithatlas-portal.eu/de/node/93579

Phase 3: Erstellen

Belege durch Beobachtungen sammeln• Wanderausstellung von HEPHY

(Institut für Hochenergiephysik) http://www.hephy.at/veranstaltungen/oeffentliche/wanderausstellung/

• LehrerIn teilt SchülerInnen in Gruppen ein. Jede Gruppe von Studierenden formuliert Erklärungen und wertet Beweise für die Beantwortung wissenschaftlich orientierter Fragen aus.

© HEPHY

Phase 3: Erstellen

Belege durch Beobachtungen sammeln• Technisches Museum, Wien

Das Technische Museum ist ein inter-aktives Museum. Mit mehr als 40 prak-tischen Experimenten und interaktiven Präsentationen können Wissenschaft und Technik mit allen Sinnen erlebt werden.http://www.tmw.at/

Führungen für Schulen(e.g. Hochspannungsvorführung) http://www.tmw.at/Medien/Website%20Download%5C03%20besucher%5CAngebote%5Coberstufe_2010.pdf

Zum Beispiel können Sie Experimente zur Strahlungsenergie mit einer Nebelkammer ausprobieren.

http://www.gerlitz-hs.stsnet.at/EnergieWebseite/images/pdf/TMW.pdf Nebelkammer ►

© TMW

Phase 3: Erstellen

Belege durch Beobachtungen sammeln• HYPATIA (HYbrid Pupil‘s Analysis Tool for Interactions in

ATLAS): Analysiere Echtzeitdaten vom ATLAS @ CERN-Experiment: http://hypatia.phys.uoa.gr/

… und suche nach Wechselwirkungsarten, Ladung, Impuls und Energie von Teilchen.

Phase 4: Diskutieren

Aufgrund der Belege Erklärungen formulieren

• Der Lehrer/Die LehrerIn gibt die richtige Erklärung für das spezifische Forschungsthema.– Arten von Teilchen– Nachweismethode

Andere Erklärungen berücksichtigen • Jede Gruppe von Studierenden bewertet seine

Erklärungen im Hinblick auf alternative Erklärungen, insbesondere diejenigen, die wissenschaftlichen Erkenntnisse wiederspiegeln.

Phase 5: Nachdenken

Erklärungen mitteilen • Jede Gruppe von Studierenden erstellt einen Bericht mit

seinen Feststellungen gemäß den Richtlinien für das Schreiben eines Forschungsberichts.

Guidelines for Writing a Research Report Version2.1.pdf– Format (Titel, Auszug,

Einführung, etc.)– Layout (Schriftarten, etc.)

• Jede Gruppe präsentiert und rechtfertigt ihre vorgeschlagenen Erklärungen gegenüber den anderen Gruppen und dem/der Lehrer/in.