Auf der Suche nach neuen Teilchen live am Franziskusgymnasium


Schülerinnen und Schüler der Oberstufe des Franziskusgymnasiums hatten die einmalige Chance sich unter der Leitung eines ehemaligen Schülers und promovierten Teilchenphysikers Nils Hüsken nach neuen Teilchen zu suchen.

Forschungsgebiete wie die Teilchenphysik sind vielen vielleicht ein Begriff, aber die genauen Inhalte dieser Forschung sind leider vielen noch fremd. Umso mehr können wir für das Engagement von Dr. Nils Hüsken dankbar sein, dass er sich an seinen ehemaligen Physiklehrer, Herrn Lögering, gewendet hat, um zumindest einem Teil unserer Oberstufenschüler*innen einen detaillierten Einblick in dieses Hochforschungsgebiet zu geben.

Dr. Nils Hüsken lebt und forscht aktuell in den USA. An der Indiana University Bloomington wertet er zusammen mit einem internationalen Team Daten des BESIII Beschleuniger, China, aus.

Um einen Eindruck davon zu bekommen, was genau dies heißt, benötigt man ein Grundverständnis von Teilchenbeschleunigern und über Teilchen im physikalischen Sinn.
Es gibt viele Merkmale, mit denen man Teilchen in der Physik unterscheidet. Viele wissen, dass ein Elektron ein solches Teilchen ist, welches eine geringe Masse und negativ geladen ist.

Es gibt aber auch noch andere Merkmale in der Physik mit denen man Teilchen unterscheiden kann. Zum grundlegenden Verständnis von Beschleunigern und der Teilchenphysik reichen diese beiden Merkmale aber bereits aus.
Einzig die Gleichheit zwischen Masse und Energie ist noch notwendig, um eine Vorstellung dieser Forschung zu bekommen. Einsteins Gleichung E=mc² ist den meisten Menschen bekannt, sie beutet in diesem Zusammenhang, dass Masse und Energie bis auf einen Faktor nahezu das Gleiche ist, sie sind äquivalent.

Wenn man sich also vorstellt, dass die Masse eines Elektrons nicht nur in kg angegeben werden kann, sondern auch in Energieeinheiten, kommt man zu dem Schluss, dass schnelle Elektronen mit einer hohen Bewegungsenergie theoretisch auch mehr Masse darstellen können.

In Beschleunigern, die zum Teil Ausmaße ganzer Städte haben können, werden zum Beispiel Elektronen auf eine sehr hohe Geschwindigkeit, nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, so haben sie insgesamt auch eine sehr hohe Energie. Lässt man nun zwei solcher Elektronen aufeinanderprallen, steht im Moment der Kollision sehr viel Energie zur Verfügung. Diese Energie kann neue Teilchen entstehen lassen, die deutlich schwerer sind als die Elektronen. Im Moment der Kollision werden Energieeinheiten, die freigeworden sind, in Masse umgewandelt.

Möchte man nun ein Teilchen der Größe von zum Beispiel 10 Masseeinheiten erzeugen, aber nur Elektronen von jeweils einer Masseeinheit zur Verfügung hat, beschleunigt man sie so schnell, dass ihre Energie aus Masse und Bewegung so groß wird, dass sie mehr als 10 Masseeinheiten entspricht. So kann bei der Kollision, Stillstand der Elektronen, das Teilchen der Größe von 10 Masseeinheiten erzeugt werden. So lassen sich zuvor unbekannte Teilchen erzeugen oder theoretisch berechnete Teilchen nachweisen. Dies ist unter einer großen Berichterstattung am CERN mehrfach gelungen.

Man sieht, dass dieses Thema sehr komplex ist und nicht in einen Kurzvortrag vermittelt werden kann.
Daher war es ein Glücksfall, dass sich Dr. Nils Hüsken an unsere Schule gewannt hat und wir Ende 2020 mit der Planung des Teilchen-Workshop am Franziskusgymnasium starten konnten.

Herr Lögering, Herr. Dr. Bonhoff, Frau Schaffrinna, Herr Van den Berghe und Dr. Hüsken entschieden sich für einen online Workshop, der im März 2021 starten konnte.

Für die Schüler*innen war es eine einmalige Gelegenheit länderübergreifend mit echten Daten Teilchenphysik zu betreiben. In mehreren Videokonferenzen konnten sich unserer Schüler*innen unter der Leitung von Dr. Nils Hüsken in einen Teil der Teilchenphysik einarbeiten und die Datenanalyse zum Nachweis neuer Teilchen vorbereiten.
Diese Art von Distanzunterricht hat ihren Namen auch wirklich verdient und durch Zeitverschiebung und auch durch die persönliche Distanz war es nicht immer einfach, im Thema zu bleiben und den Anforderungen gerecht zu werden.

Anfang Januar war es Dr. Nils Hüsken möglich, den Workshop an zwei Tagen in Präsenz abzuschließen. Die gemeinsame Arbeit an den beiden Tagen in den Weihnachtsferien fügten zusammen, was in fast einem Jahr vorbereitet wurde. Die Ergebnisse waren beeindruckend und den Schüler*innen gelang es tatsächlich die zahlreichen Daten des Beschleunigers zu bereinigen, um entsprechende Teilchen nachzuweisen. Für den betreuenden Lehrer Herr Van den Berghe war es auch ein Blick in die Vergangenheit seiner Zeit am Beschleuniger dem DESY in Hamburg. Denn auch in Deutschland finden aktuell verschiedene große Experimente der Teilchenphysik statt.

Ihre konkrete Aufgabe an diesen Tagen war es, aus einer Flut an Daten, nicht relevante Daten auszufiltern, um nur noch Daten abzubilden, die auf die gesuchten Teilchen hinweisen. Diese Daten werden in großen Detektoren am Beschleuniger im Kollisionspunkt erzeugt. Sie können verschiedene Merkmale, wie Ladung und Masse, von verschiedensten Teilchen darstellen. Die Daten sind allerdings nicht eindeutig und müssen von unbrauchbaren Informationen getrennt werden. Dies war die zentrale Aufgabe der Schüler*innen, bevor sie die bereinigten Daten zur Bestimmung der gesuchten Teilchen heranziehen konnten.

Unser Dank geht an Dr. Nils Hüsken für seinen Einsatz, seine Expertise und seine Motivation Schüler*innen des Franziskusgymnasiums für die Spitzenforschung der Physik zu begeistern.



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