Netzwerk Teilchenwelt Vermittlung der Teilchenphysik an Schulen Michael

Netzwerk Teilchenwelt Vermittlung der Teilchenphysik an Schulen Michael Kobel, TU Dresden Deutsches Lehrkräfteprogramm GTP 2016 25. 05. 2016 Folien auf: https: //indico. cern. ch/e/DETP 16 -2

I. Fundamentale Physik ►Warum sind die Dinge so, wie sind? ►Erforschung grundlegender Fragen nach Entstehung und Aufbau der Welt (Urknall, Kosmologie, Materie, Bausteine, Wechselwirkungen…) 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 2

Bedeutung eines „großen Bildes“ S S S ►LHC: § Nachstellen der Prozesse zwischen Elementarteilchen 10 -12 s nach dem Urknall Teilchenbeschleuniger: LEP ysik http: //lhc-milestones. web. cern. ch/lhc-milestones ph n e h ilc Te o-/ Astr 03. 2021 LHC GTP Lehrkräftefortbildung, CERN Geschichte der Physik Zurück zum Urknall 3

II. Chancen und Herausforderungen ►Chancen § Faszination der fundamentalen Fragen § Faszination der Begriffe (Urknall, Antimaterie, …) § Faszination der experimentellen Aufbauten (CERN) § Grundlagenforschung als Kulturgut und intellektueller Gewinn ►Herausforderungen § Teilchenphysik in Schulcurricula wenig vertreten § Suche nach Antworten auf noch nie selbst gestellte Fragen § Große Zahl neuer Begriffe in sehr kurzer Zeit § Viele neue Konzepte und Vorstellungen § Herstellung des Bezugs zur Erfahrungswelt 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 4

Was leistet die Astro-/Teilchenphysik? ►Transparenz und Dialog § Transparenz durch „offene Türen“ des CERN § und aller deutscher Forschungseinrichtungen Dialog zwischen Wissenschaftler/innen, Jugendlichen und Lehrkräften ►Teilhabe an Daten und Forschung § Veranstaltungen mit Dialogzu Wissenschaftlern § Zugang zu Originaldaten und Datenanalyse ►Wissenstransfer in die Schulen § Lehrerfortbildungenüber aktuelle Entwicklungen durch Wissenschaftler § Schul-Experimente für Erfassung eigener Daten § Erstellung von Schulmaterialien gemeinsam mit Didaktikern, Lehrkräften und Kommunikatoren ►„Outreach“ ist Teil der fundamentalen Forschung § Transfer des Wissens in die Öffentlichkeit spielt für Grundlagenforschung ähnliche Rolle wie Technologietransfer für angewandte Forschung 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 5

III. Das Konzept der Masterclasses ►Idee: § Jugendliche als „Forscher für einen Tag“ § Anleitung durch Teilchenphysiker/in § § als Experte = “Master” (Meisterkurs) Einführende Vorträge Messung mit Original-Daten ► 2 Formate: Netzwerk Teilchenwelt International Masterclasses • Lokale Masterclasses überall in D • Forschungsinstitut lädt Schüler ein • ca. 100 Masterclasses / Jahr • Einmal im Jahr, 4 Wochen lang • Forscher/innen gehen in die Schulen • weltweit • Mehrstufiges Vertiefungsprogramm • Videokonferenz mit CERN 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 6

III. 1. International Masterclasses www. physicsmasterclasses. org • 1997: erstmals Masterclasses in Teilchenphysik in UK (R. Barlow et al. ), Messung mit LEP Daten – OPAL Identifying Particles – DELPHI Hands on CERN • 2005: World Year of Physics - EPPOG/IPPOG startet europaweites Programm unter Leitung von M. K. IPPOG: International Particle Physics Outreach Group Netzwerk von Wissenschaftlern und Kommunikatoren • 2006: USA erstmalig dabei (Quark. Net) • 2011: ausschließlich Messungen mit LHC-Daten • 2012: alle Kontinente vertreten • 2014: alle 4 LHC Experimente (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 7

Vorträge Sammeln der Ergebnisse und lokale Analyse Messungen Internationale Videokonferenz 8

International Masterclasses 2016: von 11. Februar – 23. März • 47 Länder, > 200 Unis + Institute • Koordination • Dresden (U. Bilow): blau • Fermilab (K. Cecire): grün 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 9 9

Messungen im „W-Pfad“ des ATLAS Experiments Higgs-Signal akkumuliert bei kleinen Winkeln 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN Zerfall von W-Bosonen Struktur des Protons 10

III. 2. Netzwerk Teilchenwelt ► 24 Standorte in 12 Bundesländern § insgesamt 26 Institute + CERN § Leitung: TU Dresden ►Daten aus Astro-/Teilchenphysik flächendeckend in Schulen bringen ►Projektziele: § Faszination Teilchenphysik erleben § Wissenschaft kommunizieren § Forschung vor Ort und im Unterricht § Wertschätzung von Erkenntnisgewinn Kiel Duisburg-Essen durch Grundlagenforschung Mehr Info: Flyer, Newsletter 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 11

Das Konzept: Stufenprogramm Forschungsmitarbeit Forschungsprojekte Forschungsarbeiten Vertiefte Schulung am CERN Vertiefungsprogramm (CERN) Aktive Mitarbeit Qualifizierungsprogramm Durchführung eigener Projekte Teilnahme an Fortbildungen und einführenden Veranstaltungen Basisprogramm Lehrkräfte 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERNWorkshops Projektwoche Aktive Mitarbeit Weitergabe des Gelernten Astroteilchen. Forschungswochen Teilnahme an Masterclasses (Teilchenphysik-, International-, Astroteilchen-Masterclasses) Jugendliche 12

Projekte mit kosmischen Teilchen www. teilchenwelt. de/angebote/astroteilchen-experimente ► Zwei Experimente zum Nachweis kosmischer Myonen: Kamiokanne und Szintillationszähler ► Zur Ausleihe an Schulen nach vorheriger Fortbildung ► Geeignet für kleinere Gruppen in allen Programmstufen § Messungen (Winkel, Lebensdauer, Abschirmung) § Datenanalyse (Prüfung von theor. Modellen) § Softwareentwicklung (Datennahme, Grafiken) ► Auch möglich: Bau einer Nebelkammer (Material zur Ausleihe oder Anleitung zum Selbstbau) 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 13

IV. Materialien für die Schule 1. Materialsammlung www. teilchenwelt. de/material § 2013 mit Uni Würzburg ►Teilchensteckbriefe § 2 Varianten § Gelegenheit zu eigenen Aktivitäten § ordnen, diskutieren, vertraut werden ►Hintergrundinformationen und Arbeitsblätter § Vor- und Nachbereitung von Masterclasses § Methoden, Anwendungen, Kosmologie § 72 Seiten 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 14

2. LEIFI Physik Portal www. leifiphysik. de/themenbereiche/ teilchenphysik § 2014 mit Joachim Herz Stiftung § über 40 Seiten Texte u. Animationen 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 15

3. Astro-/Teilchenphysik im Unterricht ►Unterrichtsmaterialien 2014/15 mit Joachim Herz Stiftung ►Fachtexte, Aufgaben und Lösungen, Arbeitsblätter, Anknüpfungspunkte an den Lehrplan, Vorkenntnisse, Lernziele, methodische Hinweise, fachliche Hinweise ►Vier Bände § § Teil 1: Wechselwirkungen, Ladungen und Teilchen Teil 2: Forschungsmethoden der Teilchenphysik Teil 3: Kosmische Strahlung (erschienen) Teil 4: Mikrokurse (erschienen) ►Erscheinungsjahr: 2016 § www. teilchenwelt. de/tp o. www. leifiphysik. de/tp § Online oder als Druckexemplar 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 16

Didaktische Ziele ►Erklärungsvermögen der Physik § Wenige Prinzipien erklären viele Phänomene ►Erarbeitung dieser Grundprinzipien § Vermeiden von Auswendiglernen § Einführung der essentiellen (auch theoretischen) Grundbegriffe ►Hilfe für Herausforderungen für Lehrkräfte § Anschluss an bisherige Begriffe § Änderungen der Vorstellungen / Modelle § Begrenzung der Mathematisierbarkeit ►Mehrwert § Erlernen von Einlassen auf völlig Neues § Einblick in „Physikalische Eleganz“ § Faszination der Forschungsmethoden und Erkenntnisse 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 17

Band 1: Wechselwirkungen, Ladungen und Teilchen § Ca. 100 Seiten Hintergrundinformationen für Lehrkräfte § Einführung in das Standardmodell über das Konzept von Ladungen § § und Wechselwirkungen Spiralcurriculum, didaktische und fachliche Hinweise Aufgabenblätter online Band 2: Forschungsmethoden § § 03. 2021 Forschungsziele Beschleuniger Detektoren Zahlreiche Aufgaben GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 18

Band 1: Wechselwirkungen, Ladungen und Teilchen ►Die drei Basiskonzepte des Standardmodells 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 19

Fußball-Analogie ►Wie erklärt man jemandem etwas Unbekanntes? z. B. Fußball. . . ►Man beginnt nicht mit der Anzahl der Spieler oder gar deren Positionen, sondern mit den Grundregeln ►Spieler = Elementarteilchen ►Regeln = Wechselwirkungen, Erhaltungssätze, . . . ►Wieso also bei der Behandlung des Standardmodells damit beginnen? ? § Nur u, d, e sind für Aufbau der Materie nötig § Warum es gerade diese Teilchen gibt, kann § 03. 2021 nicht vorhergesagt werden (nicht verstanden!) Das Standardmodell ist eine Theorie der Wechselwirkungen! GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 20

Basiskonzept Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + Vernichtung ►Umfasst die Phänomene § § Kraft Umwandlung von Teilchen ineinander Erzeugung von Materie+Antimaterie Vernichtung in Botenteilchen (z. B. Coulomb-Kraft) (z. B. b-Umwandlung) (z. B. Elektron+Positron) (z. B. PET: 2 Photonen) ►Begriffe Kraft und Wechselwirkung sind klar zu trennen ►Kraft nur dort verwenden, wo wirklich Kraft (als Vektor) gemeint ist 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 21

Reduktion ►Alle Vorgänge / Phänomene lassen sich auf 4 fundamentale Wechselwirkungen zurückführen Hangabtriebskraft, Wasserkraft, Motorkraft, Radiowellen, Reibungskraft, Muskelkraft, Radioaktive Umwandlung, Kernfusion … 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN Basiskonzept Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + Vernichtung 4 Fundamentale Wechselwirkungen 22

Suche nach Gemeinsamkeiten ►Potenzielle Energie außerhalb Kernen (~ fm) § alle unterschiedlich § Charakteristische Längen • elmagnetisch: keine • stark: 0, 2 fm • schwach: 0, 002 fm ►Potenzielle Energie für horizontale Achse ÷ 25, vertikale Achse x 25 sehr kleine Abstände (<< fm) § alle ähnlich • 1/r – Verhalten • Stärkeparameter a • Ladungsprodukt 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 23

Geometrische Betrachtung ► 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 24

Wechsel des Beobachter-Standpunkts ► ke är n t e S nge i h ) u e n c tli irk h b nde r an n c e W si ä te Eig r W rn bst wei de ähe en A ch (n ein no kl gar so Wechselwirkung Reichweite Gravitation unendlich elektromagnetisch unendlich eichweite Endliche R Kraft der starken ent“ em wg. „confin Endlich e der sch Reichweite w wegen achen Kraft Masse d Botent eilchen er W/Z stark schwach 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 25

Offene Forschungsfragen ►Zusätzliche Dimensionen für Gravitation könnten die Kräfte „vereinigen“ § Bild rechts: 2 „große“ +2 „kleine“ Dimensionen § Bild unten: 3 „große“ + 4 „kleine“ Dimensionen (offen nur für Feldlinien/Botenteilchen der Gravitation) Gravitationskraft für 4 zusätzliche Dimensionen unterhalb 10 fm 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 26

Tragende Basiskonzepte, z. B. Ladung ►Zu jeder WWirkung des Standardmodells gehört eine Ladung § Nur Teilchen mit entsprechender Ladung nehmen an Wechselwirkung teil § Ladungen liefern Ordnungsprinzip der Elementarteilchen in Multipletts (<-> Hauptgruppen im chem. Periodensystem) § Ohne Ladungsbegriff ist die Anordnung der Teilchen völlig willkürlich § Theoretisch ist die Existenz der 3 Ladungen verstanden (<-> Symmetrien!) nicht jedoch die genaue Art und Zahl der Multipletts § Für alle Ladungen gelten Erhaltungssätze 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 27

Übersichten (Ladungen der Bausteine) ►elektrisch ►Schwach ►Stark § Quarks 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN Anti-Quarks 28

Konzept Spiralkurrikulum: ►Beispiel: Drei Stufen von Diagrammen § Stufe 1: x-y § Stufe 2: x-t ohne Feynman- Diagramme § Stufe 3: x-t mit Feynman- Diagrammen 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 29

Band 2: Forschungsmethoden ►Beschleuniger als Mikroskop: Strukturauflösungen ►Sehr gut anbindbar über E- und B-Felder 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 30

Detektoren Bildgebend z. B. : Nebelkammer, Blasenkammer Elektronisch z. B: ATLAS-Detektor, Geigerzähler ►elektrische Signale ►sichtbare Teilchenspuren ►Teilchenidentifikation durch Mustererkennung 03. 03. 2021 DPG Lehrkräftetag, Hamburg GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 31

Band 3: Kosmische Strahlung § § § 03. 2021 32 Seiten Fokus: Untersuchung von Myonen Hintergrundinfos für Lehrkräfte Fachtext für Schüler/innen Aktivitäten, Aufgaben und Lösungen GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 32

Nebelkammern (auch zum Selbstbau) ►Teilchen in unserer Umgebung ►Selbst messbar 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 33

Eigene Datenaufnahme und Auswertungen ►Winkelverteilung ►Lebensdauer 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 34

Band 4: Mikrokurse § § § 03. 2021 28 Seiten 4 Kurse Zeitbedarf 1 -2 Unterrichtsstunden Anknüpfung an klassische Lehrplanthemen, z. B. waagerechter Wurf mit Anti-Wasserstoff mit Aufgaben und Lösungen GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 35

Band 4: Mikrokurse ►Beispiel: Horizontaler Wurf von Anti-Wasserstoff Atomen 03. 2021 GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 36

Unsere Wünsche / Ziele ►Vermittlung der *wirklichen* Forschungserkenntnisse § Übergreifende Zusammenhänge § Kein Auswendiglernen von Teilchen ►Standards der Begriffsbildung § Ladungen und Wechselwirkungen als zentrale Begriffe § Klärung von verbreiteten Irrtümern ►Anschlussfähigkeit in Schulen § Potenzielle Energien § Feldlinien, … ►Möglichst breite Verwendung in Fortbildungen § Erste Tests: § 03. 2021 DESY/Zeuthen 26. 2, Bensberg, NRW, 9. 3. , Dresden 12. 3, CERN 21. -23. 3 Ab 2017: Vorauss. viele Fortbildungen in D mit Hans-Riegel Stiftung GTP Lehrkräftefortbildung, CERN 37

Dank: 03. 2021 • an das Team • • an alle Standorte an die Förderer an DPG für Schirmherrschaft für Ihre Aufmerksamkeit