Physik-LK sucht Higgs Boson und erforscht Teilchenzoo

Die acht Schülerinnen und Schüler des Q2-Leistungskurses Physik verbrachten am 03.03.2020 einen spannenden Forschungstag an der Johannes Gutenberg Universität Mainz. In der „Internationalen Masterclass Teilchenphysik” analysierten sie in Kooperation mit dem Institut für Kernphysik, dem Netzwerk Teilchenwelt und dem europäischen Kernforschungszentrum CERN echte Messdaten, die vom ATLAS Detektor am Teilchenbeschleuniger LHC gewonnen wurden. Das tollste: Zeitgleich führten Schülerinnen und Schüler ähnliche Auswertungen in der Schweiz, in Schweden und in Portugal durch. Über Videochats und Videokonferenzen wurden über den Tag verteilt Erfahrungen und Messergebnisse ausgetauscht. Den krönenden Abschluss des Tages bildete eine Videokonferenzen mit Wissenschaftlern am CERN.

Doch bis es zu diesem Austausch kommen konnte, mussten die Schülerinnen und Schüler zunächst die für sie neue Welt der Elementar- und Wechselwirkungsteilchen kennenlernen. Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler in Vorträgen und interaktiven Übungen, welche Teilchen es überhaupt gibt und welche Eigenschaften diese haben. Kleine Stoff-Teilchen erleichterten den Einstieg. „Ich habe das Neutron, und innen drin sind drei Quarks und ein Gluon” erklärte ein Schüler und staunte nicht schlecht, als man an einem anderen Stoffmodell sogar den Beta-Zerfall spielerisch entdecken konnte: Das Neutron wandelt sich auch im Stoffmodell unter Abgabe eines W-Bosons in ein Proton um. Das W-Boson zerfällt dann extrem schnell in ein Elektron und ein Antielektroneutrino.

Weiter ging es mit Feynman Diagrammen, dem Standardmodell, dem Problem mit der Gravitation und dem Higgs Teilchen. Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass bestimmte Zerfallsprodukte nach einer Proton-Proton-Kollision ein Hinweis auf die vorherige Existenz zweiter W Bosonen sein könnten… Und die wiederum können die Existenz des Higgs Teilchens beweisen… 

Doch die Suche nach den Zerfallsprodukten in den Messdaten des ATLAS Detektors ist nicht einfach. Zunächst lernten die Schülerinnen und Schüler die Informationen über Impulse, Energieabgabe und Flugbahnen der Reaktionsprodukte richtig abzulesen und zu interpretieren… Und dann startete die Suche nach den W Bosonen. Über 200 Events werteten die Schülerinnen und Schüler der Martin-Niemöller-Schule an dem Nachmittag aus. Und nur in vier dieser Events gaben die detektierten Daten Hinweise auf jeweils ein W+ und ein W- Boson. Sogar alle Auswertungen aller teilnehmenden Schülerinnen und Schülern des Tages zusammengenommen reichen leider nicht aus, um nachzuweisen, dass Higgs Bosonen existieren. Dafür sind viel größere Datenmengen nötig, da auch bei anderen Prozessen, die nach der Protonenkollision ablaufen, doppelte W Ereignisse auftreten. 

Wir alle entwickeln einen hohen Respekt für die Komplexität der Experimente und Äußerungen am CERN und werden noch lange an diesen großartigen, spannenden Tag zurückdenken. 

(Mareike Linssen + Physik LK Q2)
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