Die Welt im Allerkleinsten

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Lassen Sie sich zeigen und erklären, was die Welt im Innersten zusammenhält, was es mit dunkler Materie auf sich hat, und warum kilometerlange Beschleuniger und hausgroße Detektoren notwendig sind, um Einblick in die Teilchenwelt zu bekommen.

Themen:

A1 - Was die Welt im Innersten zusammenhält – Elementarteilchen und das Standardmodell
Physikalisches Institut, Universität Bonn

Mit dem Standardmodell der Teilchenphysik haben Physiker ein mächtiges Werkzeug zur Hand, mit dem sich die Welt der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen erklären lässt. Doch das überaus erfolgreiche Modell lässt immer noch einige Punkte offen, die auf eine experimentelle Bestätigung warten.

A2 - Deutschland sucht die kleinsten Teilchen – Axionen und die dunkle Materie
DESY, Hamburg

Theoretische Physiker sagen Effekte voraus, die Zaubereien nahe kommen. So könnte sich in einem Magnetfeld Licht in Materie und Materie in Licht verwandeln. Ob es so etwas tatsächlich gibt und was solche Effekte mit Sternen, Galaxien und der Geschichte des Universums zu tun haben, wollen Forscher mit neuen Experimenten bei DESY erkunden. Können wir so dunkle Materie sichtbar machen?

A3 - Physikalische Ursuppe – ALICE-Detektor am LHC
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik, Universität Bonn

Begleiten Sie uns auf eine Reise zurück zum Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren. Am weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC können wir künstlich den Materiezustand herstellen, wie er einige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall geherrscht hat. Der Stand zeigt Ihre Reiseroute und stellt Originalteile aus der Apparatur zum Nachweis vor. Weitere Informationen hier und hier.

A4 - Wie viel wiegt ein Geist? – KATRIN-Experiment
Fachbereich Physik, Bergische Universität Wuppertal

Mit dem KATRIN-Experiment wird die Masse des leichtesten Elementarteilchens, dem Neutrino, gemessen. Elektronen, die beim Beta-Zerfall von Tritium entstehen, werden mithilfe von supraleitenden Magneten zum Spektrometer geführt. Dort werden die zu langsamen Elektronen von den schnelleren getrennt, die am Ende im Detektor gezählt werden. Überzeugen Sie sich von den Dimensionen des größten Ultrahochvakuum-Tanks der Erde.

A5 - Struktur der Materie – FAIR: das Universum im Labor
FAIR Gmbh, Darmstadt

Wie man winzigste Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger auf Touren bringt, können Besucher am mechanischen Linearbeschleuniger-Modell selbst ausprobieren. Was im Modell mechanisch passiert, geschieht in Großanlagen durch elektrische Spannung - und die bringt die Teilchen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit. Im neuen Teilchenbeschleuniger FAIR ist der Linearbeschleuniger des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung die erste Beschleunigungsstufe: Er jagt die Teilchen auf eine Geschwindigkeit von 60.000 Kilometer pro Sekunde. Eines der Forschungsziele: Die Erforschung der Starken Kraft. Wie die wirkt, können Besucher am Teilchen-Expander selber ausprobieren.

A6 - Masse aus dem Nichts? – das PANDA-Experiment an FAIR
St.-Johannes-Hospital, Anästhesiologie und Intensivmedizin, Dortmund

All die sichtbare Materie um uns herum besteht aus Atomen, welche aus Protonen und Neutronen im Atomkern und Elektronen aufgebaut sind. Während das Elektron elementar ist, ist das Proton ein Zusammenschluss von 3 Quarks. Überraschenderweise sind die 3 Quarks jedoch nur für einen sehr kleinen Teil der Masse des Protons verantwortlich. Daher stellt sich nun die Frage, wie entsteht hier „Masse aus dem Nichts?“.

Die Erforschung von Bindungszuständen aus Quarks, wie sie mit dem PANDA-Experiment an FAIR durchgeführt werden wird, wird entscheidend zu einem besseren Verständnis der starken Kraft beitragen, die die Quarks aneinander bindet und die letztendlich auch für die Erzeugung von Masse verantwortlich ist. Im PANDA-Experiment trifft Antimaterie auf Materie, diese vernichten sich und neue Teilchen entstehen. Ein Detektorelement des Experimentes, das zur Messung von Photonen/Elektronen dient, ist neben einem Modell des PANDA-Detektors als Exponat zu sehen und die Technik der Photonenmessung wird erläutert.

A7 - Von Quarks zum Leben? – Mit numerischen Simulationen auf den Spuren unserer Existenz
Institut für Nuklearphysik, Forschungszentrum Jülich

Aufwändige numerische Simulationen erlauben uns heute zu berechnen, dass z.B. die Massen der Quarks (Bausteine der Kernbausteine) von ihren heutigen Werten nur um wenige Prozent abweichen dürften, ohne dass die Produktion der Bausteine unseres Lebens im Universum empfindlich gestört würde – ist unser Leben auf der Erde also ein Zufall? Um das Konzept der numerischen Simulationen zu vermitteln, besteht an dem Stand die Möglichkeit für die Besucher selbst eine numerische Simulation für spezielle Planetenbahnen durchzuführen.

A8 - Higgs & Co. – Experimente am ATLAS-Detektor des LHC
Physikalisches Institut, Universität Bonn

An diesem Ausstellungsstand wird erklärt, wie der ATLAS-Detektor hochenergetische Teilchenkollisionen des Large Hadron Colliders (LHC) aufzeichnet: Beispielhaft wird das am Beispiel des Higgs-Bosons demonstriert.

A9 - Vollgas voraus – Nur wer völlig entspannt ist, gewinnt
Physikalisches Institut, Universität Bonn

Teilchenbeschleuniger spielen in der heutigen Welt eine immer größere Rolle. Ihre Anwendung ist längst nicht mehr nur auf die Grundlagenforschung beschränkt. Am Beispiel des Bonner Elektronenbeschleunigers ELSA werden die Grundlagen der Beschleunigerphysik und deren Einsatzgebiet aufgezeigt.

A10 - Bitte recht freundlich! – Pixeldetektoren für Teilchen und Medizin
Physikalisches Institut, Universität Bonn

Pixeldetektoren werden zur ortsaufgelösten Detektion von Licht und geladenen Teilchen eingesetzt. Sie bestehen aus Millionen von winzigen sensitiven Elementen (Pixel) mit einer Pixelgröße einiger 100 µm (zum Vergleich: der  Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt etwa 40 - 120 um). Möglich werden Pixeldetektoren durch die moderne Halbleitertechnologie, die es erlaubt, komplizierte elektronische Schaltkreise in Silizium mit winzigen Strukturgrößen < 100 nm zu realisieren. Der Einsatzbereich von Pixeldetektoren ist vielfältig, z.B. in der Digitalkamera; so trägt zum Beispiel jeder mit seinem Handy bereits 2 Pixeldetektoren in der Hosentasche! Pixeldetektoren werden aber vor allem auch in der Grundlagenforschung der Teilchenphysik und für biomedizinische Bildgebungsverfahren eingesetzt. Zum Beispiel erlauben moderne Röntgengeräte mit Pixeldetektoren schnelle Bildfolgen, Aufnahmen in Echtzeit und die gleiche Anzahl an Aufnahmen bei geringerer Strahlenbelastung.

A11 - Teilchen sichtbar machen – Nebelkammer und Funkenkammer
Physikalisches Institut, Universität Bonn

Verschiedene Teilchendetektoren werden im Betrieb ausgestellt und zeigen sowohl die kosmische als auch die radioaktive Untergrundstrahlung. Die Exponate zeigen das Funktionsprinzip klassischer Teilchendetektoren, die die Spuren für das menschliche Auge direkt sichtbar machen, sowie Beispiele modernster Nachweismethoden, die die Spuren elektronisch verarbeiten.

A12 - Fang mich, wenn Du kannst – Mit künstlicher Intelligenz auf Teilchenjagd
Physikalisches Institut, Universität Bonn

Am Ausstellungsstand wird erläutert, wie Künstliche Intelligenz in der Teilchenphysik eingesetzt wird. Es wird dargestellt wie man mit Hilfe von Neuronalen Netzen auf Teilchenjagd gehen kann. Die Chance, dass eine betrachtete Teilchenkollision am LHC ein Higgsboson enthält ist kleiner als die Wahrscheinlichkeit im Lotto zu gewinnen. Neuronale Netze helfen bei der Entscheidung ob eine Kollision ein Higgs enthält oder nicht. Es wird beschrieben, wie Neuronale Netze funktionieren, wie diese Netze lernen und wie sie für die Teilchenjagd eingesetzt werden.