Genfer Schule gewinnt ‚Beamline for Schools‘-Wettbewerb 2020

Zur Delta+-Jagd nach Hamburg

Das Delta+ gehört zur Familie der Baryonen, jener Familie der subatomaren Teilchen, zu der das besser bekannte Proton und Neutron gehören. Ein Team aus Physik-begeisterten Schülerinnen und Schülern der ‹International School of Geneva› befasst sich intensiv mit diesen überaus instabilen Elementarteilchen. Im September reisen sie für ein Experiment an das renommierte Teilchenphysik-Forschungsinstitut DESY nach Hamburg. Die aussergewöhnliche Forschungsreise verdanken sie dem Sieg im diesjährigen ‹Beamline for Schools› (BL4S)-Wettbewerb des CERN.

Beamline for schools
Bild: CERN, Switzerland

Die ‹International School of Geneva› ist eine Genfer Mittelschule mit einem ausgeprägt internationalen Profil. Zu den Schülerinnen und Schülern gehören vorwiegend Kinder von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der internationalen Organisation, die in Genf zuhause sind, etwa der UNO, der Internationalen Arbeitsorganisation oder der Weltgesundheitsorganisation. Einer von drei Standorten der Schule heisst ‹Campus des Nations› mit rund 1000 Schülerinnen und Schülern.

Mittelschüler betreiben Teilchenphysik

Zu jeder Schule gehören neben den Schülern auch Lehrkräfte. Eine von ihnen auf dem ‹Campus des Nations› der ‹International School of Geneva› ist Thomas Riis-Johannessen. Seit sieben Jahren unterrichtet der in Bristol ausgebildete Anglo-Norwegier in Genf Naturwissenschaften und Physik. Vor rund drei Jahren sah sich der promovierte Chemiker mit einer anspruchsvollen Anfrage konfrontiert: Eine Gruppe von Schülerinnen und Schülern hatte eine MINT-Arbeitsgruppe (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik) gebildet. Sie fragten ihren Lehrer, ob sie nicht am ‹Beamline for Schools›-Wettbewerb teilnehmen könnten, den das CERN ausgeschrieben hatte. Im Rahmen des Wettbewerbs können zum Sieger gekürte Schulklassen am CERN oder einem anderen Teilchenphysik-Labor ein selbst entwickeltes Experiment durchführen.

«Als ausgebildeter Chemiker war ich etwas überfordert von dieser Anfrage, denn ich konnte mir nicht recht vorstellen, welches Experiment wir als Klasse unter Zuhilfenahme eines hochenergetischen Teilchenstrahls durchführen könnten», erzählt der 39jährige Physiklehrer. Zwar gehört Teilchenphysik seit einigen Jahren zum Curriculum auf dem Weg zum ‹International Baccalaureate Diploma›, dessen Abschluss viele Schüler der ‹International School› anstreben. Aber die Entwickung eines eigenen Experiments in diesem Bereich der physikalischen Grundlagenforschung stellte die Herausforderung auf ein völlig neues Niveau.

Erfolg im zweiten Anlauf

Dann verlieh eine glückliche Fügung dem Projekt Flügel: Mark Rayner, der an der ‹International School› sein Lehramts-Praktikum machte, war theoretischer Physiker und hatte am CERN gearbeitet. Damit war die Voraussetzung geschaffen, dass die Mitglieder des MINT-Clubs mit Unterstützung ihrer zwei Lehrer ein Experiment ausheckten und bei der ‹Beamline-for-Schools›-Jury einreichten. Im ersten Anlauf gingen die Bewerber leer aus. Aber nachdem sie einige Details ihres Experiments überarbeitet hatten, errang das Team der ‹Nations' Flying Foxes› in diesem Jahr den Sieg, zusammen mit einem Schülerteam aus Berlin.

‹Nations' Flying Foxes› – den Namen verwenden auf dem ‹Campus des Nations› auch die Sportteams – stecken sechs Physik-begeisterte Schüler und Schülerinnen im Alter von 16 bis 17 Jahren. Am 23. September 2020 fahren sie gemeinsam mit ihren Lehrern und zwei unterstützenden Experimentalphysikern des CERN für zwei Wochen an das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, um ihre Experiment durchzuführen. Normalerweise finden die Experimente des ‹Beamline for Schools›-Wettbewerbs am CERN statt, aber da der dortige Teilchenbeschleuniger zur Zeit aufgerüstet wird, wurde das DESY für die diesjährigen Gewinner verfügbar gemacht.

Delta+-Zerfälle messen

Um das geplante Experiment zu verstehen, muss man wissen, dass sich Quarks – die Bestandteile von Protonen – durch Elektronenbeschuss in einen angeregten Zustand mit höherer Energie versetzen lassen (vergleichbar mit angeregten Atomen, deren Elektronen auf einer Bahn mit höherer Energie zirkulieren). Für das Proton ist einer dieser angeregten Zustände unter der Bezeichnung Delta+ (sprich: Delta-Plus) bekannt. Diese bestehen wie ‹normale› Protonen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, Delta+-Baryonen unterscheiden sich von diesen aber in einer zentralen Quanteneigenschaft: dem Spin. Protonen haben einen Spin von 1/2, Delta+-Baryonen einen Spin von 3/2, wenn in Einheiten der reduzierten Planck'schen Konstante ℏ gemessen.

Die ‹Flying Foxes› wollen am DESY die Delta+-Baryon nachzuweisen. Direkt beobachten lassen sich die Teilchen nicht, dann sie haben eine extrem kurze Lebenszeit: etwa der Billionste Teil einer Billionstelsekunde. Nach dieser Zeit zerfallen die Delta+-Teilchen mit gleicher Wahrscheinlichkeit in ein Neutron unter Abstrahlung eines positiv geladenen Pions oder in ein Proton und Aussendung eines neutralen Pions. (In einem von 170 Fällen kann das Delta+-Teilchen zudem in ein Proton und ein Photon zerfallen.)

Diese Zerfallsprodukte wollen die ‹Fliegenden Füchse› am DESY messen, um daraus die Existenz der Delta+-Baryonen bestätigen zu können. Das Team beabsichtigt, die Delta+ auf folgende Weise zu beobachten: Zunächst wird ein Strahl hochenergetischer (6,4 GeV) Elektronen auf ein Bleitarget (Protonenquelle) fokussiert, um (einen Teil der) Protonen in den höchst instabilen Delta+-Zustand anzuregen. Dann wollen sie den Zerfall des Delta+ in positive Pionen (deren Lebensdauer lange genug ist, um ihre Spuren verfolgen zu können) beobachten, indem Sie (a) ein Magnetfeld verwenden, um positive Pionen von den ankommenden und gestreuten Elektronen zu trennen, und dann (b) die positiven Pionen mit Mikromegasdetektoren (für den Impuls) und Bleikristallkalorimeter (für die Energie) charakterisieren.

Ein realistische Bild von Forschung

«Die ‹Beamline for Schools›-Reise ans DESY schafft für unsere Schüler eine wunderbare Möglichkeit, über das schulische Curriculum hinaus zu gehen und zu sehen, was moderne Wissenschaft wirklich ausmacht, nämlich harte experimentelle Arbeit, die Hingabe und Ausdauer erfordert», sagt Thomas Riis-Johannessen, der vor seiner Tätigkeit als Lehrer selber zehn Jahre in der Forschung tätig war. Dank des Wettbewerbs lernen die Mittelschüler den Umgang mit Teilchenstrahlen und -detektoren, sie lernen die Programmiersprache Python und sie analysieren experimentelle Daten. Wenn das Experiment am Ende erfolgreich verläuft, könnte es in eine wissenschaftliche Publikation münden.

Dabei ist zu beachten, dass eine Spielart dieses Experiments früher schon durchgeführt wurde, also wohl keine grundlegend neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse zu erwarten sind. Doch ist dies nötig? Es besteht ein ureigenes Interesse zu sehen, ob die beweiskräftige Daten für dieses Experiment mit der DESY-Infrastruktur gewonnen werden können. Dank des BL4S-Wettbewerbs werden die Schülerinnen und Schüler eine sehr reale Begegnung mit der ebenso eigenartigen und wie wundervollen Welt der modernsten Teilchenphysik erleben. Wer als 16jähriger auf diesem Niveau arbeitet, der kann es in einer wissenschaftlichen Karriere weit bringen.

Da Genf von Deutschland als COVID-19-Risikogebiet eingestuft wurde, kann das 'Flying Foxes'-Team nicht wie geplant nach Hamburg reisen. Stattdessen werden die Schüler und Schülerinnen regelmässig ans CERN gehen und von dort per Videokonferenz an den Experimenten teilnehmen.

Autor: Benedikt Vogel

Der Wettbewerb ‹Beamline for Schools› (BL4S) wird seit 2014 durchgeführt. Bisher haben 11'000 Schülerinnen und Schüler aus 91 Staaten daran teilgenommen. Bei der siebten Auflage des Wettbewerbs im Jahr 2020 reichten 198 Schülerteams aus 49 Ländern Vorschläge für ein Teilchenphysik-Experiment ein. Die beiden Siegerteams kommen von der International School of Geneva/Campus des Nations und vom Werner-von-Siemens-Gymnasium in Berlin. Weitere Infos und neue Ausschreibungen unter: http://beamline-for-schools.web.cern.ch. BV
Der Wettbewerb ‹Beamline for Schools› (BL4S) wird seit 2014 durchgeführt. Bisher haben 11'000 Schülerinnen und Schüler aus 91 Staaten daran teilgenommen. Bei der siebten Auflage des Wettbewerbs im Jahr 2020 reichten 198 Schülerteams aus 49 Ländern Vorschläge für ein Teilchenphysik-Experiment ein. Die beiden Siegerteams kommen von der International School of Geneva/Campus des Nations und vom Werner-von-Siemens-Gymnasium in Berlin. Weitere Infos und neue Ausschreibungen unter: http://beamline-for-schools.web.cern.ch. BVBild: CERN, Switzerland

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