Schulphysik trifft Teilchenphysik Materialien des Netzwerks für Vermittler Anregungen für Aktivitäten und Analogien Diskussion

Materialien für Vermittler Webseite: http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-vermittler/ Organisatorisches: Vorbereitungstipps, Checkliste für Lehrkräfte Checkliste für Vermittler Materialien zur Vor- und Nachbereitung für Lehrkräfte: http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-lehrkraefte/

Materialien für Vermittler Webseite: http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-vermittler/ Handouts für Teilnehmer (ATLAS W- und Z-Pfad) fördern selbständiges Arbeiten (insb. Einarbeitung in die Software!) Kann ggf. zur Vor- und Nachbereitung verwendet werden Inhalt: Forschungsaufgabe, Kriterien für Signalereignisse Software-Basics Teilchenspuren Standardmodell

Materialien für Vermittler Webseite: http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-vermittler/ Muster-Einführungsvortrag (ab Januar online) Die wichtigsten Inhalte Vertiefende und motivierende Inhalte Anregungen für interaktive Phasen bereits online unter "Materialien zur Gestaltung der Masterclass" Analogien, Veranschaulichungen Anregungen für die Auswertungsphase

Materialien für Vermittler Webseite: http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-vermittler/ Elementarteilchen-Steckbriefe Druckvorlagen (Lang- und Kurzversion) und methodische Anregungen Können in Masterclasses und im Unterricht vielfältig eingesetzt werden Ziele / Funktionen Elementarteilchen einführen Elementarteilchen vergleichen, sortieren, Ordnungsprinzipien erkennen (Masse, Ladungen) Hilfsmittel für interaktive Phasen

Elementarteilchen-Steckbriefe 30 Karten: Je 12 Materie-/Antimaterieteilchen, 5 Austauschteilchen, Higgs Hintergrundfarben: Hellgrau: Materieteilchen Hellgrün: Austauschteilchen Dunkelblau: Antimaterie Violett: Higgs-Boson Up-artige Quarks Down-artige Quarks Up-artige Antiquarks Down-artige Antiquarks El. geladene Leptonen Neutrinos Photon Gluonen W/Z-Bosonen Higgs-Boson

Idee: Elementarteilchen sortieren Material: Elementarteilchen-Steckbriefe oder Particle Zoo-Stofftiere Jeder Teilnehmer erhält zu Beginn einen Steckbrief. Auftrag: Sortiert die Teilchen in sinnvolle Gruppen. Mögliche Fragen: Welche Eigenschaften haben die Teilchen in den Gruppen gemeinsam? (Ladungen) Wie kann man die Teilchen innerhalb der Gruppen sortieren? (Masse  Generationen) Was unterscheidet Materie- und Antimaterieteilchen voneinander, was haben sie gemeinsam? An dieser Stelle kann das Elementarteilchen-Puzzle durchgeführt werden. Elementarteilchen-Steckbriefe und methodische Hinweise dazu finden Sie unter http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-vermittler/ unter „Materialien zur Gestaltung der Masterclass“.

Nach erster Vorstellung der Teilchenspuren Auftrag: Idee: Teilchenspuren in Gruppen wiederholen Material: Teilchen-Steckbriefe Nach erster Vorstellung der Teilchenspuren Auftrag: Findet euch in Gruppen zusammen: Geladene Leptonen Quarks Neutrinos Bosonen Wie wechselwirken eure Teilchen im ATLAS-Detektor? Diese Übung kann als Mini-Gruppenarbeit organisiert werden: Die Schüler erhalten einen Teilchen-Steckbrief oder ein Particle Zoo-Stofftier (wenn nicht schon geschehen), finden sich in den angegebenen Gruppen zusammen und besprechen die Frage ca. 3 Minuten lang. Danach stellen Mitglieder der Gruppen ihre Ergebnisse vor. Die Teilnehmer werden die Lösung bei einigen Teilchen ggf. noch nicht wissen (Tauon, Gluonen, W- und Z-Bosonen, Higgs-Boson) – hier kann der Vermittler eine kurze Erklärung beisteuern oder auf später verweisen.

Weitere Ideen für die Steckbriefe Neue Elementarteilchen vorstellen (z.B. Myonen, W-Bosonen…) Teilchensorten vergleichen: Materie vs. Antimaterie Elektronen, Myonen, Tauonen (3 Generationen) Neutrinos vs. andere Teilchen Nach Masse sortieren, dann nach Nachweisjahr – was fällt auf? Vier-Ecken-Spiel: Materie/Antimaterie/Austauschteilchen Leptonen / Quarks / Austauschteilchen el. Ladung -1/0/+1/drittelzahlig Farbe / Antifarbe / keine Farbe… u.v.m. An dieser Stelle kann das Elementarteilchen-Puzzle durchgeführt werden. Elementarteilchen-Steckbriefe und methodische Hinweise dazu finden Sie unter http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-vermittler/ unter „Materialien zur Gestaltung der Masterclass“.

Weitere Ideen für Aktivitäten und Analogien für zentrale Konzepte

Zentrale Konzepte bei Masterclasses – I Anknüpfungspunkte zum Schulstoff (nicht überall!) Elementarteilchen und Wechselwirkungen Größenordnungen Ladungen (elektrische Ladung, ggf. Farbladung) Energie-/Masseeinheit Elektronenvolt Stabile und instabile Elementarteilchen, "Zerfälle" von Elementarteilchen ( Betazerfall) Wechselwirkungen und Austauschteilchen

Zentrale Konzepte bei Masterclasses - II Anknüpfungspunkte zum Schulstoff (nicht überall!) Teilchenbeschleuniger Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld (Lorentzkraft) Teilchenkollisionen: Produktion neuer Teilchen (Masse-Energie-Äquivalenz) Umwandlung von Energieformen ineinander, Energieerhaltung Detektoren Messung der Spur ( Impuls) bzw. Energie von Teilchen Transversaler Impuls PT fehlende Energie MET Darstellung von Teilchenspuren Signalereignis vs. Untergrund

Idee: Wie klein sind Elementarteilchen? Ordnet die folgenden Begriffe auf der Längenskala ein! Proton, Atom, Neutron, Mensch, Elektron, Zucker-Molekül, Fliege, Atomkern, Quarks, Fußballfeld Mensch Jugendliche kennen meist nur lineare Skalen. Deswegen ist es an dieser Stelle sehr wichtig, darauf hinzuweisen, dass die gezeigte Skala nicht linear ist, sondern dass jeder Schritt in dieser Skala eine Multiplikation mit bzw. Division durch 10 bedeutet. Sie können diese Aktivität als „Murmelphase“ organisieren: Stellen Sie den Arbeitsauftrag an die Teilnehmer und legen Sie eine Zeit fest, nach der sie fertig sein sollen, z.B. 3 Minuten. Die Teilnehmer sollen jeweils zu zweit oder zu dritt diskutieren. Während der Zeit können Sie die Längenskala an die Tafel zeichnen; nach Ablauf der festgesetzten Zeit kommt ein Teilnehmer nach vorne und schreibt die Begriffe auf Zuruf der anderen Teilnehmer in die Skala an die Tafel. 10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 Ausdehnung in m :10 :10 ·10 ·10

Idee: Wie klein sind Elementarteilchen? Atom-kern Zucker- Molekül Fußball-feld Quarks Elektron: < 10-18 m Proton Neutron Fliege Mensch Atom 10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 Ausdehnung in m :10 :10 ·10 ·10

Idee: Energien sortieren Ordnet die folgenden Energien nach ihrer Größe: Masse eines Protons: Bewegungsenergie einer Mücke im Flug Bewegungsenergie eines ICE bei 150 km/h Bewegungsenergie eines Protons im LHC Masse eines Elektrons Bewegungsenergie eines Menschen (75 kg) beim Gehen Bewegungsenergie aller Protonen im LHC Sie können diese Aktivität als „Murmelphase“ organisieren: Stellen Sie den Arbeitsauftrag an die Teilnehmer und legen Sie eine Zeit fest, nach der sie fertig sein sollen, z.B. 3 Minuten. Die Teilnehmer sollen jeweils zu zweit oder zu dritt diskutieren. Während der Zeit können Sie die Energieskala an die Tafel zeichnen; nach Ablauf der festgesetzten Zeit kommt ein Teilnehmer nach vorne und schreibt die Begriffe auf Zuruf der anderen Teilnehmer in die Skala an die Tafel.

Idee: Energien sortieren-Lösung Masse eines Elektrons Masse eines Protons Bewegungsenergie einer Mücke im Flug Bewegungsenergie eines Protons im LHC Bewegungsenergie eines Menschen (75 kg) beim Gehen Bewegungsenergie aller Protonen im LHC Bewegungsenergie eines ICE bei 150 km/h a b c, d f, g e Jugendliche kennen meist nur lineare Skalen. Deswegen ist es an dieser Stelle sehr wichtig, darauf hinzuweisen, dass die gezeigte Skala nicht linear ist, sondern dass jeder Schritt in dieser Skala eine Multiplikation mit bzw. Division durch 1000 bedeutet. Hier die genauen Zahlen: Masse eines Elektrons  511 keV Masse eines Protons  etwa 1 GeV Bewegungsenergie einer Mücke im Flug  einige TeV/ etwa 1 µJ Bewegungsenergie eines Protons im LHC  4 TeV / 0,6 µJ Bewegungsenergie eines Menschen (75 kg) beim Gehen  etwa 75 J Bewegungsenergie aller Protonen im LHC  ca 108 J Bewegungsenergie eines ICE bei 150 km/h  ca. 108 J 1 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 1027 1030 Energie in eV 1 Joule :1000 ·1000

Idee: Wechselwirkungen zuordnen Welche Wechselwirkung spielt die Hauptrolle? Jemand telefoniert mit dem Handy Ein Atomkern wandelt sich durch einen Betazerfall in einen anderen um Viele Atomkerne sind stabil, obwohl sich die Protonen untereinander abstoßen Eine Kompassnadel richtet sich nach Norden aus Zwei Atome gehen eine chemische Bindung ein Ein Glas fällt vom Tisch Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden ein Proton; Quarks kommen nie einzeln vor Diese Aktivität kann als „Murmelphase“ organisiert werden: Die Teilnehmer sollen zu zweit oder zu dritt arbeiten. Geben Sie eine Zeit vor, innerhalb welcher die Teilnehmer die Vorgänge den Wechselwirkungen zuordnen sollen, und danach soll ein Team ihre Lösung vorstellen und erklären. 17

Teilchenidentifikation als Mustererkennung (Murmelphase) Material: Ereignisbilder Kann schon zu Anfang der Masterclass durchgeführt werden 4 Ereignisbilder hängen in den Raumecken, z.B. Elektron/Positron Myon/Antimyon Jets Ereignis mit fehlender Energie Jeder Teilnehmer erhält ein ähnliches Ereignisbild. Teilnehmer ordnen sich dem ähnlichsten Ereignisbild zu. Auftrag: Diskutiert, was eure Gruppe auszeichnet und was euch von anderen Gruppen unterscheidet. Später wieder darauf beziehen! Diese Übung kann als Mini-Gruppenarbeit organisiert werden: Die Schüler erhalten einen Teilchen-Steckbrief oder ein Particle Zoo-Stofftier (wenn nicht schon geschehen), finden sich in den angegebenen Gruppen zusammen und besprechen die Frage ca. 3 Minuten lang. Danach stellen Mitglieder der Gruppen ihre Ergebnisse vor. Die Teilnehmer werden die Lösung bei einigen Teilchen ggf. noch nicht wissen (Tauon, Gluonen, W- und Z-Bosonen, Higgs-Boson) – hier kann der Vermittler eine kurze Erklärung beisteuern oder auf später verweisen.

Analogie: Teilchenentstehung bei Kollisionen Was hat dieses Bild mit Teilchenphysik zu tun? Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Masse um So werden völlig neue Teilchen erzeugt Diese waren vorher keine Bestandteile der Protonen! Manchmal entstehen auch exotische Teilchen…! Andere mögliche Analogie: Bei einem normalen Autounfall werden Autoteile in die Gegend verstreut. Bei Teilchenkollisionen ist es so, als würden bei einem Unfall lauter ganz andere Autos entstehen, darunter manchmal ein neuer Mercedes (oder ein Dinosaurier o.ä.). 19

Idee: Zerfälle anhand der Ladungserhaltung prüfen Material: Teilchen-Steckbriefe Kann sich ein W--Boson in die folgenden Teilchen umwandeln? Positron und Elektron Myon und Antineutrino Zwei Positronen Strange-Quark und Charm-Antiquark Findet weitere mögliche Teilchenkombinationen, auch für W+-Bosonen! (Achtung – geht nicht mit Higgs-Bosonen, da schwache Ladung nicht erhalten ist) W- Mögliche Aktivität für die Teilnehmer: Sucht Teilchenkombinationen, in die ein W--Boson oder ein W+-Boson zerfallen könnte! Hierzu kann man die Elementarteilchen-Steckbriefe als Hilfestellung verwenden, um die Ladungserhaltung zu überprüfen. Ein Zerfall in Quarks der dritten Generation ist nicht möglich, weil deren Massen zu groß sind. Die Zerfallsprodukte müssen aus der gleichen Generation stammen. Wichtig: Unter „Zerfall“ darf man sich nicht vorstellen, dass die Teilchen „zerbrechen“(wie bei der Kernspaltung) – es entstehen Teilchen, die vorher NICHT DA waren! Analogie zum löchrigen Eimer: - Es hängt größtenteils vom Zufall ab, welches Wassermolekül wohin fließen wird. Analog dazu kann man prinzipiell nicht vorhersagen, in welche Teilchenkombination ein W-Boson zerfallen wird. Man kann nur vorhersagen, welche Teilchenkombinationen möglich sind, und wie wahrscheinlich sie jeweils sind. - Außerdem ist der Eimer um so schneller leer, je mehr Löcher es gibt. Analog dazu ist die Lebensdauer eines Teilchens umso geringer, je mehr Zerfalls-Möglichkeiten es gibt.

Analogien Genau genommen kann sich ein Teilchen auch spontan in andere Teilchen umwandeln, ohne einem anderen zu begegnen. Zur Analogie: Die beiden Inlineskater stellen zwei Elementarteilchen dar, der Ball ein Austauschteilchen. (Eine anziehende Kraft oder andere Wechselwirkung kann man sich nicht mehr so leicht mit so einer Analogie vorstellen). 21

Analogie: Wechselwirkung Wenn Teilchen einander begegnen, „wechselwirken“ sie: d.h. sie können sich anziehen oder abstoßen, Teilchen können erzeugt werden oder sich ineinander umwandeln, etc. „Kraft“ ist nur eine Art der Wechselwirkung. Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen übertragen: Analogie (nur für eine anziehende Kraft): Weitere Analogien / wichtige Aspekte? Genau genommen kann sich ein Teilchen auch spontan in andere Teilchen umwandeln, ohne einem anderen zu begegnen. Zur Analogie: Die beiden Inlineskater stellen zwei Elementarteilchen dar, der Ball ein Austauschteilchen. (Eine anziehende Kraft oder andere Wechselwirkung kann man sich nicht mehr so leicht mit so einer Analogie vorstellen). 22

Analogien: Higgs-Feld/Higgs-Teilchen Welche Analogie würdet ihr verwenden? Was spricht für und gegen… …eine mechanische Analogie (Paddel in Wasser ) …die Party-Analogie …(eine sonstige Analogie) …gar keine Analogie? Genau genommen kann sich ein Teilchen auch spontan in andere Teilchen umwandeln, ohne einem anderen zu begegnen. Zur Analogie: Die beiden Inlineskater stellen zwei Elementarteilchen dar, der Ball ein Austauschteilchen. (Eine anziehende Kraft oder andere Wechselwirkung kann man sich nicht mehr so leicht mit so einer Analogie vorstellen). 23

Analogie: Zählexperimente Daten Erwartung Ist der Würfel manipuliert oder nicht? ±1σ ±2σ Analogie: Ein Zählexperiment in der Teilchenphysik lässt sich vergleichen mit dem Versuch, herauszufinden, ob ein Würfel manipuliert ist oder nicht. Mögliche Frage an die Teilnehmer: Wie würdet ihr das machen? Was würde herauskommen, wenn der Würfel (nicht) manipuliert ist? Wann könnt ihr sicher sein, ob der Würfel gezinkt ist oder nicht? Man würde sehr oft würfeln und der Übersichtlichkeit halber ein Histogramm erstellen: D.h. auf der x-Achse stehen die möglichen Zahlen, auf der y-Achse trägt man ein, wie häufig jede Zahl gewürfelt wurde. Dann vergleicht man die Zahlen-Verteilung mit der Erwartung für einen normalen Würfel. Wenn die Messergebnisse stark von der Gleichverteilung abweichen (d.h. wenn eine Zahl sehr viel häufiger vorkommt als die anderen), ist der Würfel wahrscheinlich manipuliert; allerdings lässt sich das nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit sagen, denn schließlich kann es auch nur ein Zufall sein, wenn man öfters hintereinander dieselbe Zahl würfelt. Je öfter man würfelt, desto sicherer kann man sagen, ob der Würfel gezinkt ist oder nicht. Analog ist es bei Zählexperimenten in der Teilchenphysik: Man “würfelt”, d.h. man lässt bei Kollisionen verschiedene Teilchen-Kombinationen entstehen. Dabei können natürlich sehr viel mehr Ergebnisse herauskommen als nur sechs; man trägt die Messergebnisse in einem Histogramm auf Um die Ergebnisse interpretieren zu können, müssen Theoretiker zunächst berechnen, was man für verschiedene Fälle erwarten würde: Für den Fall, dass es kein neues Teilchen außer den schon bekannten gibt, und für den Fall, dass es ein neues Teilchen gibt, z.B. das Higgs-Boson. Dann vergleicht man die Messergebnisse mit den theoretischen Voraussagen. Je mehr Daten man sammelt, desto sicherer kann man sagen, ob man ein neues Teilchen entdeckt hat oder nicht. Zum Plot rechts unten: Auf der x-Achse sind die möglichen Massen des Higgs-Bosons aufgetragen. Die schwarz gepunktete Linie gibt an, was das Standardmodell für den Fall vorhersagt, wenn es kein Higgs-Boson gibt (analog zur Erwartung für den nicht manipulierten Würfel). Die schwarz durchgezogene Linie gibt dagegen die experimentellen Messwerte an (Zusammenfassung vieler Messdaten verschiedener Zerfallskanäle). Je weiter die Messwerte von der theoretischen Vorhersage entfernt sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es dort etwas zu entdecken gibt. Die grünen und gelben Bereiche geben die Abweichung von der theoretischen Erwartung in „Sigma“ (Standardabweichungen) an. Erst wenn die Messwerte außerhalb dieser Grenzen sind, wird es interessant. Von einer „Entdeckung“ sprechen Physiker erst ab 5 Standardabweichungen: Das heißt, dass die Irrtumswahrscheinlichkeit nur noch ca. 1:1 Million beträgt. Der Plot bezieht sich auf die Veröffentlichungen von ATLAS vom 4.7.2012. Die Massenangabe entspricht dem Stand vom 4. Juli 2012 und sollte vor dem Vortrag ggf. den aktuellen Veröffentlichungen angepasst werden. Existiert das Higgs-Boson oder nicht? 24

Die Auswertung Authentizität vermitteln Zentraler Teil der Masterclass! Ziele: Klärung von Fragen; Was haben wir warum gemacht? Schwierigkeiten, Unklarheiten bei der Messung Vergleich von Erwartungen mit Ergebnissen Wiederholung: Wie kamen die Kriterien für Signalereignisse zustande? Eindruck von wissenschaftlicher Arbeitsweise vermitteln: Zusammenfassung: Wie suchen Forscher nach unbekannten Teilchen? Zusammenspiel von Theorie und Experiment Warum sind so enorm viele Daten nötig? Authentizität vermitteln Wie läuft die Datenanalyse in Wirklichkeit?