Programme für Lehrkräfte und Schüler am CERN - Abteilung für ...
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European Organization for Nuclear Research<br />
Über 50 Jahre Gr<strong>und</strong>lagenforschung<br />
<strong>Progr<strong>am</strong>me</strong> für Lehrer <strong>und</strong> Schüler<br />
<strong>am</strong> <strong>CERN</strong><br />
… das Labor … die <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong> … Ideen zur modernen Physik im Unterricht …<br />
Dr. Sascha Marc Schmeling<br />
<strong>CERN</strong> PH
Überblick<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<strong>CERN</strong> – Organisation, Teilchenphysik, Forschung<br />
<strong>Progr<strong>am</strong>me</strong> für Lehrer <strong>und</strong> Schüler<br />
• <strong>CERN</strong> Besuchsprogr<strong>am</strong>m<br />
• Lehrerfortbildungen<br />
• Schülerprogr<strong>am</strong>me<br />
Inhalte<br />
• Teilchenphysik<br />
• Beschleuniger <strong>und</strong> Experimente<br />
• Labore <strong>und</strong> Workshops<br />
Resourcen<br />
Ausblick<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 2
<strong>CERN</strong>
Geschichte<br />
1949<br />
Erste Ansätze ziviler Forschung<br />
im Bereich der Nukleartechnik<br />
1952<br />
Gründung des<br />
Conseil Européen pour la<br />
Recherche Nucléaire<br />
unter der Obhut der UNESCO<br />
Oktober 1952<br />
Standortauswahl für Genf<br />
1. Juli 1953<br />
Unterzeichnung der <strong>CERN</strong><br />
Charta<br />
29. September 1954<br />
Abschluß des<br />
Ratifikationsprozesses in den<br />
ursprünglichen zwölf<br />
Mitgliedsstaaten<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 4
<strong>CERN</strong> – Das Laboratorium
Menschen bei <strong>CERN</strong> – Januar 2012<br />
Angestellte<br />
<br />
Staff<br />
• 2420<br />
Fellows<br />
• 487<br />
Abgeordnete<br />
Wissenschaftler<br />
• 61<br />
Projektpersonal<br />
• 161<br />
Studenten<br />
• 134<br />
Doktoranden<br />
• 148<br />
Sonstige<br />
• 805<br />
Firmen<br />
• 3818<br />
User<br />
• 10685<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 7
Beschleuniger bei <strong>CERN</strong>
Weitere Aktivitäten <strong>am</strong> <strong>CERN</strong><br />
… eine kleine Auswahl …
<strong>CERN</strong> Neutrinos zum Gran Sasso<br />
700 m 100 m 1000m 67 m<br />
p + C (Wechselwirkungen) p + , K + (Zerfall) m + + n m
<strong>CERN</strong> bis zum Gran Sasso :<br />
732 km in einer Tiefe bis zu 11.4 km
Antimaterie
S. Myers QUB March 11, 2009<br />
Tom’s Angels and<br />
demons
Anwendung von Antimaterie - Tumorbekämpfung<br />
ACE Experiment bei <strong>CERN</strong><br />
QuickTime and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture.<br />
QuickTime and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture.<br />
*) Antiproton Cell Experiment
PROGRAMME AM <strong>CERN</strong><br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 17
<strong>CERN</strong> Besuchsprogr<strong>am</strong>me<br />
<br />
<br />
<br />
Der <strong>CERN</strong> Visits Service<br />
organisiert halbtägige<br />
Besuchsprogr<strong>am</strong>me für die<br />
allgemeine Öffentlichkeit.<br />
Diese <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong> werden<br />
auch von Schulen<br />
wahrgenommen.<br />
90000<br />
80000<br />
70000<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
30000<br />
Für Alumni unserer<br />
20000<br />
<strong>Progr<strong>am</strong>me</strong> ermöglichen 10000<br />
wir besondere Besuche. 0<br />
2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014<br />
D<br />
Total<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 18
Schülerpraktika 2008-11 <strong>und</strong> Besuchsprogr<strong>am</strong>me<br />
<br />
Internatsschule Schloß<br />
Hansenberg<br />
<br />
Schülerbesuchsprogr<strong>am</strong>me<br />
• Netzwerk Teilchenwelt<br />
• Bisherige <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong><br />
13.-26. April 2008<br />
• 13 Teilnehmer,<br />
11 verschiedene Plätze<br />
<br />
Workshops<br />
• Vorlesungen<br />
• Masterclasses<br />
• Workshops<br />
19. April-2. Mai 2009<br />
• 8 Teilnehmer,<br />
8 verschiedene Plätze<br />
<br />
Praktikumswochen<br />
• Schülerforschungsarbeiten<br />
11.-24. April 2010<br />
• 12 Teilnehmer,<br />
10 verschiedene Plätze<br />
9.-20. Mai 2011<br />
• 12 Teilnehmer,<br />
8 verschiedene Plätze<br />
15.-28. April 2012<br />
• 12 Teilnehmer,<br />
8 verschiedene Plätze<br />
• viele verschiedene Schulen<br />
<br />
mehrtägige <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong><br />
• ausgedehnte Visits<br />
• Masterclasses<br />
• Workshops<br />
• im Rahmen des Machbaren sind<br />
auch weitere <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong><br />
möglich<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 19
Lehrerfortbildungsprogr<strong>am</strong>me <strong>am</strong> <strong>CERN</strong><br />
<br />
<br />
<br />
<br />
High-School-Teachers’ <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong><br />
• internationales Progr<strong>am</strong>m seit 1998 (3 Wochen im Sommer)<br />
National Teachers’ <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong>s<br />
• nationale <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong> in Landessprache seit 2007 (1 Woche)<br />
Einige Spin-Offs organisiert von bzw. mit Teilnehmern der<br />
langjährigen <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong>.<br />
Starkes <strong>und</strong> umfangreiches Netzwerk von Alumni in aller Welt<br />
<strong>und</strong> verstärkt nun auch in Deutschland<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 20
GTP –Deutschsprachige Lehrerfortbildungen<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Sonntag Abend – Freitag Mittag<br />
Vorlesungen<br />
• <strong>CERN</strong> Einführung<br />
• Teilchenphysik<br />
• Teilchendetektoren<br />
• Teilchenbeschleuniger<br />
• Antimaterie<br />
• Kosmologie<br />
• Anwendungen IT/Medizin<br />
• Nationale Ressourcen<br />
• Curriculum<br />
umfangreiches Besuchsprogr<strong>am</strong>m<br />
Praktika<br />
• Schulversuche zur Teilchenphysik – Teachers‘ Lab<br />
• Bau von Nebelk<strong>am</strong>mern<br />
• neu: Teilchenphysik-Masterclasses<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 21
Teilnehmer an deutschsprachigen <strong>Progr<strong>am</strong>me</strong>n<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
HST<br />
PhT<br />
GTP<br />
ATP<br />
40<br />
20<br />
0<br />
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 22
Netzwerk Teilchenwelt<br />
<br />
<br />
Deutschlandweite<br />
Bildungs-Initiative<br />
ab 2010<br />
Angekündigt von<br />
BM Schavan bei<br />
Eröffnung der<br />
Ausstellung<br />
„Weltmaschine“<br />
M. Kobel, TU Dresden, S. Schmeling, <strong>CERN</strong>, T. Trefzger, Uni Würzburg, M. Walter, DESY Zeuthen<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 24
Betreuung von Ex<strong>am</strong>enskandidaten<br />
<br />
Staatsex<strong>am</strong>ensarbeiten<br />
• z.B. Julian Merkert, Karlsruhe, 2008<br />
• “Project Physicsteaching”<br />
dokumentierte multimediale Vorstellung von <strong>CERN</strong> <strong>und</strong> LHC<br />
umfangsreiches Material gestaltet<br />
Konsolidierung der Lehrer-Ressourcen bei <strong>CERN</strong><br />
<br />
Dissertationen – Gentner-Progr<strong>am</strong>m<br />
• 2 Doktoranden derzeit <strong>am</strong> <strong>CERN</strong><br />
„Masterclasses <strong>und</strong> der LHC“<br />
„Cosmic Experimente im Unterricht“<br />
• mehrere Vorschläge in der Ideen- <strong>und</strong> Planungsphase<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 25
Ausgewählte<br />
INHALTE<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 26
Das Standardmodell<br />
… ist …<br />
<br />
<br />
<br />
… eine experimentell gut<br />
bestätigte Beschreibung<br />
unserer Welt auf der<br />
Ebene der<br />
Elementarteilchen<br />
… eine<br />
Zus<strong>am</strong>menfassung Alles<br />
Wissens um die Natur<br />
der kleinsten Teilchen<br />
… sehr präzise, sogar so<br />
weit, daß zukünftige<br />
Entdeckungen recht<br />
präzise vorhergesagt<br />
werden können<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 28
Kinetische<br />
Gastheorie<br />
Boltzmann<br />
Maxwell<br />
Elektromagnetismus<br />
Newton<br />
Teilchen<br />
Felder<br />
Universum<br />
Technologien<br />
1895<br />
1905<br />
1975<br />
1900<br />
1910<br />
1920<br />
1930<br />
1940<br />
1950<br />
1960<br />
1970<br />
1980<br />
1990<br />
2000<br />
e - Atom<br />
Kern<br />
p +<br />
μ -<br />
τ -<br />
νe<br />
νμ<br />
τ -<br />
ντ<br />
ν Masse<br />
e +<br />
p -<br />
n<br />
Teilchenzoo<br />
u<br />
π<br />
d s<br />
Brownsche<br />
Bewegung<br />
Spezielle<br />
Relativität<br />
c<br />
STANDARD MODEL<br />
b<br />
t<br />
Elektromagnetismus<br />
Quantenmechanik<br />
Welle-Teilchen Dualismus<br />
Spin/Fermion-Boson<br />
Antimaterie<br />
QED<br />
GUT<br />
SUSY<br />
Higgs<br />
Photon<br />
Superstrings<br />
Fermi<br />
Theorie<br />
Schwache<br />
WW<br />
P, C, CP<br />
Verletzung<br />
W Bosons<br />
W<br />
EW Vereinigung<br />
QCD<br />
Farbladung<br />
Z<br />
3 Teilchenf<strong>am</strong>ilien<br />
Starke<br />
WW<br />
Yukawa<br />
π Austausch<br />
g<br />
Radioaktivität<br />
Höhenstrahlung<br />
Galaxien;<br />
Ausdehnung des<br />
Universums<br />
Dunkle Materie<br />
Allgemeine<br />
Relativität<br />
Kernfusion<br />
Kosmische<br />
Hintergr<strong>und</strong>strahlung<br />
Dunkle Energie<br />
Big Bang<br />
Nukleosynthese<br />
Inflation<br />
Inhomogenität der<br />
Hintergr<strong>und</strong>strahlung(C<br />
OBE, WMAP)<br />
Detektor<br />
Geiger<br />
Wolken<br />
Blasenk<strong>am</strong>mer<br />
Vieldrahtk<strong>am</strong>mer<br />
Prozessrechner<br />
Moderne<br />
Detektoren<br />
Beschleuniger<br />
Zyklotron<br />
Synchrotron<br />
e + e - Ring<br />
Strahlkühlung<br />
p + p - Ring<br />
WWW<br />
GRID<br />
2010
Elektroschwache WW<br />
1973<br />
Entdeckung “neutraler Ströme” <strong>am</strong> <strong>CERN</strong> (1973)<br />
ν<br />
ν<br />
Z o<br />
Neutral current<br />
e<br />
e<br />
• Neutrino Strahl auf Blasenk<strong>am</strong>mer gerichtet<br />
• Ein Elektron mit hoher Energie erscheint aus dem ‘Nichts’
Elektroschwache WW<br />
1983<br />
Entdeckung der W <strong>und</strong> Z Bosonen <strong>am</strong> <strong>CERN</strong> (1983)<br />
W Ereignis im UA-1 Detektor<br />
Carlo Rubbia, Simon van der Meer
Elektroschwache Wechselwirkung<br />
“Universalität” : Leptonen <strong>und</strong> Quarks<br />
Müon-Zerfall:<br />
μ<br />
νμ<br />
μ νμ + e + νe<br />
νe<br />
w -<br />
e<br />
Neutron-Zerfall:<br />
n p + e + νe<br />
d<br />
u<br />
d u + e + νe<br />
νe<br />
w -<br />
e
Beschleuniger bei <strong>CERN</strong>
Strahlenergie<br />
25 ns<br />
Strahlenergie = Protonenenergie Anzahl der Wolken Anzahl der Protonen pro Wolke<br />
Protonenenergie: 7 TeV<br />
bei höchster Intensität:<br />
Anzahl der Wolken pro Richtung: 2808<br />
Anzahl der Protonen je Wolke: 1.05 10 11<br />
Strahlenergie (pro Richtung): 346 MJoule<br />
08.06.2012
Gespeicherte Energie in den Magneten<br />
E Dipol = 0.5 L Dipol I 2 Dipol<br />
gespeicherte Energie in einem Dipol: 7.6 MJ<br />
Ges<strong>am</strong>t für alle 1232 Dipole im LHC: 9.4 GJ<br />
Nimitz Klasse Flugzeugträger (90000 t)<br />
bei Reisegeschwindigkeit von 20 kn<br />
Energie = ½ mv 2 ~ 10GJ<br />
08.06.2012
Teilchen – Teilchen<br />
• Streuung<br />
Interaktionen<br />
• Annihilation<br />
• <strong>und</strong> die Produktion neuer Teilchen<br />
• All Ereignisse entstehen durch<br />
– Colliding Be<strong>am</strong> Experiments<br />
– Fixed Target Experiments
Detektionskonzepte<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 38
CMS: Kaverne <strong>und</strong> Gebäude<br />
SCX<br />
SDX<br />
SX5<br />
Infrastruktur:<br />
z.B. PCs, Auslesemodule<br />
4 stöckig<br />
USC<br />
UXC<br />
Experiment Kaverne
Alle 25 ns<br />
DAQ akzektiert<br />
Level-1 Rate of 100kHz<br />
CMS Trigger and DAQ<br />
40 MHz<br />
COLLISION RATE<br />
100 kHz<br />
LEVEL-1 TRIGGER<br />
Detectors<br />
Charge Time Pattern<br />
Energy<br />
Tracks<br />
16 Million channels<br />
3 Gigacell buffers<br />
1 Megabyte EVENT DATA<br />
1 Terabit/s<br />
(50000 DATA CHANNELS)<br />
200 Gigabyte BUFFERS<br />
500 Readout memories<br />
HLT (High Level Trigger)<br />
entworfen für ca. 100Hz<br />
500 Gigabit/s<br />
- Unterdrückung Faktor 1000<br />
~2000 CPUs<br />
Gigabit/s SERVICE LAN<br />
Networks<br />
Computing services<br />
EVENT BUILDER. A large switching<br />
network (512+512 ports) with a total throughput of<br />
approximately 500 Gbit/s forms the interconnection<br />
between the sources (Readout Dual Port Memory)<br />
and the destinations (switch to Farm Interface). The<br />
Event Manager collects the status and request of<br />
event filters and distributes event building commands<br />
(read/clear) to RDPMs<br />
5 TeraIPS<br />
EVENT FILTER. It consists of a set of high<br />
performance commercial processors organized into many<br />
farms convenient for on-line and off-line applications.<br />
The farm architecture is such that a single CPU<br />
processes one event<br />
Petabyte ARCHIVE
CMS Ereignis
Kosmologie des 21. Jahrh<strong>und</strong>erts<br />
Was ist dunkle Materie?<br />
- Strukturbildung !<br />
- Galaxien, Galaxienhaufen, Gravitationslinsen?<br />
Was ist dunkle Energie?<br />
- Verbindung mit Vakuumenergie (Higgs?)<br />
- Expansion des Universums?<br />
- Kosmologische Konstante?
RESOURCEN<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 43
Webresourcen Allgemein<br />
<br />
Alle Ergebnisse des HST-Progr<strong>am</strong>ms:<br />
• Teachers.cern.ch<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 44
Deutschsprachiges Unterrichtsmaterial<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 45
Unterrichtsreihen<br />
Kosmische Höhenstrahlung<br />
Zwei Beispiele für vollständige<br />
Unterrichtsreihen<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 46
AUSBLICK<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 47
Geplante Aktivitäten<br />
<br />
<br />
<br />
<strong>CERN</strong> Schülerlabor<br />
• ~ 200 m²<br />
• mit verschiedenen Experimenten zur modernen Physik<br />
• für r<strong>und</strong> 30 Schülerinnen <strong>und</strong> Schüler ausgelegt<br />
• halbtägiges Progr<strong>am</strong>m zur Ergänzung der Besuchsprogr<strong>am</strong>me<br />
Weiterentwicklung der Lehrerfortbildungsprogr<strong>am</strong>me<br />
• inhaltlich<br />
• Einführung einer Alumni-Betreuung<br />
Didaktik<br />
• offene Doktorandenstellen zu<br />
Moderner Physik in deutschen Curricula<br />
„Physikunterricht 2.0“<br />
08.06.2012 Sascha Schmeling • <strong>CERN</strong> 48
Fragen ?<br />
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