Blasenkammerworkshop NTW Jugendlichen Workshop CERN,

Blasenkammerworkshop NTW Jugendlichen Workshop CERN, 12. 11
Blasenkammerworkshop NTW Jugendlichen Workshop CERN, Herzlich willkommen! Begrüßung Vorstellung der eigenen Person Ziel des Workshops: Einblick in Blasenkammern gewinnen und selbst Blasenkammeraufnahmen auswerten

Ablauf Einführung in die Blasenkammer
Identifikation von Teilchenspuren Ihr seid dran! Auswertung von Blasenkammeraufnahmen Auswertung in der Forschung Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Einführung in die Blasenkammer
Geschichte der Blasenkammer Einsatz der Blasenkammer als Detektor Aufbau und Funktion der Blasenkammer Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Geschichte der Blasenkammer
Vorgänger: Nebelkammer Erfinder: Donald A. Glaser (1952)Nobelpreis 1960 Zu Beginn recht klein, dann immer größer Sage: Glaser erfand Blasenkammer, als er im Bier aufsteigende Blasen beobachtete Blaser erhielt sehr kurz nach der Erfindung den Nobelpreis dafür (Bei Higgs-Boson 49 Jahre von der Postulierung bis zum Nobelpreis für den Nachweis) Eine der ersten Blasenkammern hatte einen Durchmesser von 5cm Später Alvarez: 180cm Blasenkammer CERN: BEBC (Big European Bubble Chamber): 3,7m Durchmesser Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Einsatz der Blasenkammer als Detektor
Blasenkammer ist ein Teilchendetektor Rückschlüsse auf Eigenschaften von Teilchen Farbladungen von Quarks Drittelzahlige (elektrische) Ladung von Quarks Entdecken von neuen Teilchen und Prozessen Teilchen hinterlassen Spuren in der Blasenkammer (siehe nächste Folien) Entdeckung des Omega Minus auf Blasenkammeraufnahmen, ist nach Standardmodell aus drei Strange-Quarks aufgebaut Messungen zeigen, dass alle bekannten Quantenzahlen der Quarks gleich sind  Weitere Quantenzahl zur Unterscheidung (Pauli-Prinzip): Farbladung, auch drittelzahlige elektrische Ladung von Quarks Schwache neutrale Ströme (Bild) Bild zeigt Blasenkammeraufnahme der GARGAMELLE am CERN (1973): Antimyonneutrinostrahl tritt von unten ein Spur eines einzelnen Elektrons sichtbar (Magnetfeld zeigt in Bildebene hinein). Nur durch Reaktion Anti-Myon-Neutrino+Elektron  Anti-Myon-Neutrino+Elektron möglich (Spur beginnt am unteren Bildrand und ist nach rechts gekrümmt) Schwache Neutrale Ströme: Prozesse der schwachen Wechselwirkung, bei denen sich die elektrische Ladung nicht ändert. Das Glashow-Weinberg-Salam-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung erklärt sie durch den Austausch eines neutralen Z-Bosons. Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Aufbau und Funktion der Blasenkammer
Im Folgenden wird der Aufbau einer Blasenkammer erklärt Aufbau ist nur schematisch und stellt die wesentlichen Komponenten dar Abbildung ist nicht maßstabsgetreu Blasenkammer (BK) besteht aus einem zylindrischen Behälter BK ist gefüllt mit einer Kammerflüssigkeit, hier grau dargestellt, in Realität farblos Bei den im Workshop betrachteten Aufnahmen war die BK mit flüssigem Wasserstoff gefüllt Kolbensystem: Volumen der Kammer kann plötzlich vergrößert werden  Flüssigkeit wird überhitzt  durchqueren nun elektrisch geladene Teilchen die Kammer, bilden sich entlang ihrer Spuren kleine Dampfbläsen (Namensgeber dieses Detektors) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

BK ist umgeben von Magnetspulen (nicht abgebildet), erzeugen innerhalb der Kammer ein homogenes Magnetfeld Magnetfeld zwingt elektrisch geladene Teilchen, die die BK durchqueren, auf gekrümmte Bahnen Krümmungsrichtung ist abhängig vom Vorzeichen der elektrischen Ladung der Teilchen (siehe nächste Folien)  Krümmungsrichtung lässt Rückschluss auf Vorzeichen der elektrischen Ladung zu Zur Beobachtung der Teilchenspuren ist BK mit Kameras sowie Beleuchtungssystem ausgestattet Durch Linsenssystem an den Kameras und an der Beleuchtung können Teilchenbahnen in der gesamten BK fotografiert werden Nach dem Fotografieren wird die Kammerflüssigkeit wieder komprimiert und die Blasen verschwinden. Nun kann der Prozess wieder von vorn beginnen Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Hintergrundwissen: Bewegte elektrisch geladene Teilchen im Magnetfeld Wie zwingt das Magnetfeld bewegt elektrisch geladene Teilchen auf eine gekrümmte Bahn? Lorentzkraft Von unten fliegt ein Elektron in ein Magnetfeld ein, die Magnetfeldlinien zeigen aus der Bildebene heraus. Wie wird sich das Elektron weiter bewegen? (Antwort auf nächster Folie) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Hintergrundwissen: Bewegte elektrisch geladene Teilchen im Magnetfeld Elektron bewegt sich auf nach links gekrümmter Bahn (Lorentzkraft, Rechte-Hand-Regel) Umgekehrter Weg: Spuren auf BK-Aufnahme zeigen und nach Vorzeichen der elektrischen Ladung der Teilchen fragen (Magnetfeld zeigt aus Bildebene heraus aber Achtung, nicht alle Teilchen fliegen von unten ein: Photon aus dem Elektron-Positron-Paar entsteht kommt von oben) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Abbildungen verschiedener Blasenkammern: keine der vorher besprochenen Komponenten ist sichtbar. Warum? Weil noch viele weitere Komponenten nötig sind, zum Beispiel Kühlsysteme: Wasserstoff ist bei Atmosphärendruck (1 bar) erst ab 14,01K (-259,14°C) flüssig Oben links: Big European Bubble Chamber (CERN) Unten links: Blasenkammer vom DESY Mitte: 15-Fuß-Blasenkammer vom Fermilab (15 Fuß entsprechen 4,572m) Rechts: 2m-Blasenkammer (CERN): von dieser BK stammen die im Workshop betrachteten Aufnahmen Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren Ihr seid dran! Auswertung von Blasenkammeraufnahmen Auswertung in der Forschung Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren
Schüler lernen jetzt selbst Teilchenspuren auf Blasenkammeraufnahmen zu identifizieren Arbeitsblatt ist auf Folie abgebildet, Schüler füllen es aus Dazu bearbeiten sie eine Einführung (siehe nächste Folie) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Link: Schüler öffnen die Datei „Identifikation von Teilchenspuren“ und bearbeiten diese, füllen dabei das Arbeitsblatt aus Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Können die Schüler wirklich Spuren identifizieren? Magnetfeld zeigt aus Bildebene heraus, Teilchen treten von unten ein Die Spur welches/welcher Teilchens/Teilchen ist hier hervorgehoben?  Elektron-Positron-Paar Welche Spur ist welche und wie erkennt man das? links Elektron, rechts Positron (erkennt man an der Krümmungsrichtung: Elektron nach links, Positron nach rechts, Rechte-Hand-Regel) Warum ist hier überhaupt ein Positron zu sehen?  Umwandlung eines Photons in ein Elektron-Positron-Paar Warum sind die Spuren rot?  das ist nur eine Bildbearbeitung, damit man sieht, um welche Spur es geht, im Original haben alle Spuren die gleiche Farbe Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren: Übung
Link: Schüler üben Teilchen- und Prozessidentifikation mit einem interaktiven Arbeitsblatt zu einer BK-Aufnahme, füllen dabei das zugehörige Arbeitsblatt aus (siehe nächste Folie) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren: Übung
Ein bisschen Mathematik Schüler füllen Arbeitsblatt aus, anschließend Begründungen besprechen (siehe Lösungsblatt) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren: Auswertung
Schüler benötigen für die Auswertung von BK-Aufnahmen Vektoraddition  hier ein Beispiel Zuerst: Welche Teilchen haben die orange und die blau hervorgehobene Spur hinterlassen (Magnetfeld zeigt aus Bildebene heraus, Teilchen treten von unten in die BK ein)?  orange: Elektron, blau Positron (Ladungserhaltung, Rechte-Hand-Regel) Impulse der Teilchen wurden bereits ermittelt, nun soll die Impulserhaltung betrachtet werden, um den Impuls des Photon zu ermitteln, welches sich in das Elektron-Positron-Paar umgewandelt hat Wie kann man das machen? (siehe nächste Folie) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Tangenten durch den gemeinsamen Ursprungspunkt an die Spuren legen Die Pfeile, die die Impulse symbolisieren, müssen auf diesen Tangenten liegen Seht euch das Bild an. Sind wir jetzt schon fertig?  Nein. Die Länge der Vektoren muss zwar nicht gleich den Impulsen sein, aber die Verhältnisse der Beträge der Vektoren müssen den Verhältnissen der Beträge der Impulse entsprechen Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Sind die Impulsvektoren nun richtig eingetragen?  Ja, Verhältnisse stimmen überein Vektoraddition (Parallelverschiebung): digitales Arbeitsblatt macht dies automatisch, wir müssen das auf dem analogen Arbeitsblatt (folgt später im Workshop) von Hand machen Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Grüner Vektor zeigt Resultat der Vektoraddition. Was sagt uns das?  Das Photon, aus dem das Elektron-Positron-Paar entstanden ist, muss den gleichen Impuls gehabt haben wie das Elektron und das Positron zusammen (Impulserhaltung) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren Ihr seid dran! Auswertung von Blasenkammeraufnahmen Auswertung in der Forschung AB 2830 AB 2670 Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Nun dürfen Schüler ein analoges Arbeitsblatt selbst bearbeiten
Aufmerksam lesen! Auswahl von Spuren begründen! Blasenkammeraufnahme befindet sich auf Seite drei des Arbeitsblattes Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Blasenkammeraufnahme, um die Schüler mögliche Lösungsvorschläge zeigen zu lassen (Lösungsvorschlag siehe nächste Folie) Begründungen besprechen (siehe Lösungsblatt) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Grün: Elektron, dessen Spur durch Wechselwirkung mit einem Strahlteilchen sichtbar ist
Violett: Spur eines Positrons Blau: Spur eines Elektron-Positron-Paares mit sehr unterschiedlichen Impulsen Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Vektoraddition: rechts Positron und Gesamtimpuls, links Elektron: hier kaum zu sehen: nächste Folie
Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Vergrößerung des Ausschnittes um den Vertex (Umwandlungspunkt des Photons)
Elektron hat sehr viel kleineren Impuls, deshalb Pfeil sehr kurz Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Grüner Pfeil symbolisiert Impuls des Positrons, orange farbener Pfeil symbolisiert Gesamtimpuls
Was sagt uns dies?  Gesamtimpuls entspricht Impuls des Photons zum Zeitpunkt der Umwandlung in das Elektron-Positron-Paar (Impulserhaltung) Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Identifikation von Teilchenspuren Ihr seid dran! Auswertung von Blasenkammeraufnahmen Auswertung in der Forschung Wie sind in der realen Forschung Blasenkammeraufnahmen ausgewertet worden? Hab die Forscher auch mit Stiften Spuren nachgezeichnet?  Nein, aber zu Beginn der Blasenkammerära haben die Physiker selbst die Blasenkammeraufnahmen betrachtet und nach interessanten Ereignissen durchsucht. Mit der Zeit gab es aber so viele Aufnahmen, dass sie dabei Hilfe benötigten… Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Auswertung von Blasenkammeraufnahmen in der Forschung
Zunächst von Hand: Blasenkammer-Damen „Beim Scannen von Bildern kommt es auf gute Augen, Genauigkeit, Ausdauer, schnelle Wahrnehmung und räumliches Vorstellungsvermögen an.[…] Die Physiker verfassten die Regeln für das Scannen. Hier galt es zu vermitteln, welche Spurmuster für das Experiment von Interesse waren. Die Scannerinnen lernten es, physikalische Prinzipien anzuwenden, z.B. Ladungserhaltung, Impulsmessung mit Radienschablonen, Impulserhaltung, Zerfallsketten instabiler Teilchen und Beurteilung der räumlichen Spurgeometrie aus drei stereoskopischen Aufnahmen zu jedem Blasenkammerereignis.[…]Besonders erfahrene Scannerinnen erkannten seltene, unerwartete Ereignisse, die dann von Physikern näher zu untersuchen waren.“ H. Spitzer „Unsichtbare Hände“ bei DESY in K.Hentschel (Hrsg.), Unsichtbare Hände Einen Schüler den Text vorlesen lassen Zunächst haben die Physiker selbst die Blasenkammeraufnahmen ausgewertet Immer mehr Blasenkammeraufnahmen erforderten mehr Personal 1965 wurden vermehrt Scannerinnen eingestellt, bis dahin waren Frauen sehr selten in Forschungseinrichtungen zu sehen, ab dem Zeitpunkt in Blasenkammergruppen sehr häufig vertreten Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Dieses Foto aus dem Jahr 1964 zeigt den Teilchenphysiker Erich Lohrmann (links) zusammen mit dem Werksstudenten Herrn Thepasdin und der Scannerin Karin Siegner an einem der im Institut gebauten Messtische Zuerst selbstgebaute Messtische Später industriell gefertigte Messtische: Techniker übernahmen Datenauslese, Scannerinnen das Messen an sich 1967: Automatisches Spurmessgerät benötigt lediglich 3 von Hand vorgegebene Punkte Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Entwicklung von Maschinen: Franckenstein Da die Auswertung von Blasenkammeraufnahmen per Hand sehr aufwändig war, sind Maschinen zur Arbeitserleichertung eingesetzt worden. Das Bild zeigt die erste erfolgreich eingesetzte Maschine, sie konnte automatisch Spuren nachverfolgen und so vermessen. Diese Maschine ist von Jack V. Franck entwickelt worden und erhielt den Spitznamen „Franckenstein“, da einer Legende zufolge der Physiker Arthur Rosenfeld beim ersten Anblick der Maschine so entsetzt von deren äußerem Erscheinungsbild war, dass er sie als „Monster“ bezeichnete. Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

Digitale Detektoren führten zum Ende der Blasenkammer… Ende der Blasenkammer: bei DESY etwa 1970, am CERN Ende der 1970er-Jahre Durch die Entwicklung von Vieldraht-Proportionalkammern und Driftkammern (auch heute noch in Verwendung) fand die Blasenkammerära ein Ende, da durch die neuen Detektoren eine digitale Auswertung möglich war Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

…aber sie ist wieder lebendig Einsatz zur Suche nach Dunkler Materie Seit 2010 wird am SNOLAB in Kanada eine Meile unter der Erde eine Blasenkammer zur Suche Nach Dunkler Materie in Form von WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) eingesetzt Versuchsort unter der Erde dient der Abschirmung von Teilchen, die unerwünschte Störeffekte hervorrufen könnten Auswerteelektronik an der Blasenkammer kann unterscheiden, ob registrierte Ereignisse von „sichtbarer Materie oder von WIMPs hervorgerufen werden, dies erfolgt über das akustische Signal, das die jeweilige Blase verursacht Blasekammeraufnahme selbst ist weitere Unterscheidungsmöglichkeit, da WIMPs nur eine Blase hinterlassen (Bild rechts), „gewöhnliche“ Materie (meist) mehrere Von Dunkler Materie hervorgerufene Ereignisse sind sehr selten, daher ist noch eine lange Laufzeit des Experimentes geplant. Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

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Die Lorentzkraft 𝐹 𝐿 =𝑄∙𝑣∙𝐵 wirkt als Zentripetalkraft 𝐹 𝑧 =𝛾∙𝑚∙ 𝑣 2 𝑟
Durch Gleichsetzen ergibt sich 𝑄∙𝑟∙𝐵=𝛾∙𝑚∙𝑣=𝑝 ⇒𝑝=𝑄∙𝑟∙𝐵 Q – Ladung des Teilchens in Coulomb v – Geschwindigkeit des Teilchens in m/s B - Magnetfeld in Telsa Gamma: Lorentzfaktor (1/sqrt(1-(v/c)^2)) m Masse in kg r Krümmungsradius der Spur in m Wird 𝑝 in Einheiten von 𝐺𝑒𝑉 𝑐 verwendet, so ergibt sich 𝑝≈0,3∙𝑟∙𝐵 Zurück Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

AB 2830 Netzwerk Teilchenwelt, Blasenkammerworkshop

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