Von Enno Gronewold und Adrian Saathoff
07.10.2014 bis 18.10.2024
Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), die Europäische Organisation für Kernforschung, zählt zu den führenden Einrichtungen der Teilchenphysik weltweit. Sein Ziel ist es, grundlegende Fragen zur Natur der Materie, des Universums und der fundamentalen Kräfte zu untersuchen. Mithilfe von Experimenten und Forschungsprojekten soll das Verständnis der elementaren Bausteine der Materie und ihrer Wechselwirkungen vertieft werden.
In diesem Bericht schildern wir, Enno Gronewold und Adrian Saathoff, die Erlebnisse und Erfahrungen unseres zweiwöchigen Praktikums vom 07.10 bis zum 18.10 am CERN, das uns von den Auricher Wissenschaftstagen ermöglicht wurde. Im Rahmen dieses Praktikums durften wir nicht nur einen tiefen Einblick in die Arbeitsweise eines der bedeutendsten Forschungszentren der Welt gewinnen, sondern auch aktiv an Projekten mitwirken, die unser Verständnis für die Teilchenphysik und deren praktische Anwendungen vertieften. Von der Arbeit mit Siliziumdetektoren in der ersten Woche bis zur Entwicklung und Programmierung eines Temperaturmesssystems in der zweiten Woche bot das Praktikum vielfältige Möglichkeiten, unsere Fähigkeiten zu erweitern und wertvolle Einblicke in die Welt der modernen Wissenschaft zu erhalten.
Eine zentrale Rolle spielt der Large Hadron Collider (LHC), der weltweit größte Teilchenbeschleuniger, der seit 2008 in Betrieb ist. Auf einer Länge von 27 Kilometern beschleunigt er Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, wodurch Energien erzeugt werden, die Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall ähneln.
Eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften, die durch den LHC ermöglicht wurden, war die Entdeckung des Higgs Bosons im Jahr 2012. Diese gelang durch die Experimente ATLAS und CMS am LHC. Das Higgs-Boson ist ein Elementarteilchen, das eng mit dem Higgs-Feld verknüpft ist, welches für die Massenerzeugung von Teilchen verantwortlich ist. Die Entdeckung bestätigte die Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik und stellte einen entscheidenden Fortschritt im Verständnis der fundamentalen Eigenschaften des Universums dar.
Für diese bahnbrechende Entdeckung wurde 2013 der Nobelpreis für Physik an François Englert und Peter Higgs verliehen, deren theoretische Arbeiten die Grundlage für diese Erkenntnis bildeten.
Dies ist eines der bedeutendsten Ziele am CERN, das Standardmodell der Teilchenphysik zu erweitern und mögliche neue Teilchen wie das Higgs-Boson zu untersuchen. Um die extremen Bedingungen in den Experimenten zu ermöglichen, ist die Entwicklung neuer Technologien von zentraler Bedeutung. Dies umfasst unter anderem die Schaffung supraleitender Magneten für Teilchenbeschleuniger und Detektoren sowie innovative Methoden zur Datenanalyse, die auch in anderen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen Anwendung finden können, wie zum Beispiel die Erfindung des World Wide Web im Jahre 1989, das ursprünglich entwickelt wurde, um den Austausch von Informationen zwischen Forschenden zu erleichtern.
In der ersten Werkwoche unseres Praktikums in der ATLAS-Arbeitsgruppe am CERN, bekamen wir einen Einblick in die Detektierungstechnik und deren physikalischen Hintergrund, welche am CERN im ATLAS Detektor verwendet werden. Frau Dr. Hassnae el Jarrari betreute uns während unseres Projekts in dieser Woche. Unter ihrer Anleitung haben wir die „Pixel“, die im Large Hadron Collider eingebaut sind, auf Funktionsfähigkeit und Unversehrtheit getestet.
Grundlegend in der Elementarteilchenphysik ist die Erkenntnis um das Standardmodell der Elementarteilchen. Das Standardmodell fasst alle bisherigen Erkenntnisse der Teilchenphysik nach aktuellem Stand zusammen und ordnet die Elementarteilchen in Kategorien mit diverse Eigenschaften und Charakteristiken.
Am CERN wird am Ausbau der Erkenntnisse des Standardmodells und der Entdeckung neuer Elementarteilchen geforscht. Um Elementarteilchen zu erzeugen und präparieren, wird ein Teilchenbeschleuniger, der LHC (Large Hadron Collider), verwendet. Der LHC beschleunigt Protonen (Hadronen), präpariert durch Ionisierung von Wasserstoff mit der elektromagnetischen Wechselwirkung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und lässt sie in den Detektoren (ATLAS, ALICE, CMS, LHCb) kollidieren. Bei der Kollision der Protonen wird Energie frei und in Elementarteilchen umgewandelt gemäß der Masse-Energie-Äquivalenz von Einstein (E = mc²). Diese Elementarteilchen gilt es nun im ATLAS-Detektor zu detektieren. Myon-Detektoren, die zum Detektieren von Myonen bestimmt sind, aber vor allem auch Silizium Sensoren („Pixel“) sind in den ATLAS-Detektor eingebaut.
Mit den Pixeln haben wir uns im Rahmen unseres Projektes in der ersten Woche beschäftigt. Im ATLAS-Detektor sind im innersten Teil vier Lagen dieser Siliziumdetektoren verbaut, deren Aufgabe darin besteht, den Verlauf der erzeugten Elementarteilchen zu verfolgen. Jedes Elementarteilchen besitzt Eigenschaften wie Impuls, Masse, Ablenkung durch Lorentzkraft (verursacht durch Magnetringe, die die Protonen auf eine Bahn lenken) etc.. Durch die Teilchenbahn in den Pixelschichten können Charakteristika der Teilchen bestimmt und bekannten Teilchen zugeordnet werden. Dadurch kann Aufschluss über neue, noch unbekannte Elementarteilchen gewonnen werden.
Silizium-Detektoren funktionieren hierbei wie eine Diode. Durch das Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung werden die p-dotierte und n-dotierte Schicht räumlich getrennt und die Sperrschicht wächst. In der Sperrschicht liegen folglich nur neutrale Silizium-Atome vor. Wenn ein Elementarteilchen mit kinetischer Energie auf diese Sperrschicht trifft, kann es das Silizium-Atom wieder in ein Elektron und ein „Loch“ teilen. Aufgrund der angelegten Spannung des elektrischen Feldes werden diese folglich zu den verschiedenen Polen gezogen und es entsteht ein Stromfluss. Durch den messbaren Strom kann die Interaktion des Elementarteilchens mit den Pixeln nachgewiesen werden. Da das Elementarteilchen mehrere Pixel zeitlich versetzt durchquert, kann die Spur des Elementarteilchens gezeichnet werden, wodurch dann wiederum Aussagen über Impuls, Masse, Wechselwirkungen getroffen werden können.
Unsere Aufgabe in der ersten Woche war, wie bereits erwähnt, neu produzierte, reparierte und wieder einzubauende Pixel Module auf Funktionsfähigkeit und Unschädlichkeit zu prüfen. Dafür durften wir ein Labor bzw. eine Werkstatt nutzen, in denen unabhängig von unserem Projekt, die Mitarbeitenden des CERN’s täglich auch Pixel auf Funktionsfähigkeit untersuchen. Bei der Untersuchung der Pixel müssen die gleichen Bedingungen wie im ATLAS-Detektor vorherrschen. Dazu benutzen die Techniker am CERN eine Art klimatische „Box“.
In dieser gibt es vier Slots, das heißt, es können vier Pixel gleichzeitig getestet werden, welche alle jeweils von einem Vakuum angesaugt werden, um Stabilität zu gewährleisten. In diesen Slots werden die Pixel an ein Motherboard angeschlossen, was einerseits die Stromversorgung gewährleistet, andererseits die Befehle, die für die verschiedenen Test notwendig sind, ausführt. Wenn die Stromversorgung gewährleistet ist, muss zuerst die Kühlung angeschaltet und eingestellt werden (Standartwert: 20 Grad, Raumtemperatur). Danach mussten wir in der „Box“ trockene Luft, also wasserfreie Luft, durch die Box zirkulieren lassen. Wasser darf auf keinen Fall vorkommen, da das die Pixel beschädigen und im Stromkreis unerwünschte Komplikationen hervorrufen könnte. Sobald diese Rahmenbedingungen hergestellt wurden, war es möglich, die Tests durchzuführen.
Das Motherboard, welches die Tests ausführt, konnte an einem Computer gestartet werden und war an diesem angeschlossen. Nach Eingabe einer Befehlskette in das Linux-Programmierfenster führte der Computer die Tests automatisch durch, was längere Zeit in Anspruch nahm. Die Tests beinhalten verschiedene Prozeduren, wie z.B das Erstellen eines Spannung-Stromstärke-Diagramms (die Versorgungsspannung läuft einmal von 0V bis 200V), das Messen der Spannungen bei verschiedenen Temperaturen (-20°C bis 20°C) und das Testen auf Leitfähigkeit. Diese sorgfältigen Untersuchungen sind notwendig, um sicherzugehen, dass der Pixel einwandfrei funktioniert. Denn einerseits dürfen fehlerhafte Messungen der Verläufe der Elementarteilchen nicht vorkommen, andererseits wäre es auch primär nicht möglich den Pixel auszutauschen. Denn das CERN arbeitet folgendermaßen: neun Monate im Jahr misst der Teilchenbeschleuniger und die Detektoren durchgängig. In den folgenden drei Monaten werden entstandene Probleme behoben und eventuell Pixel ausgetauscht. Außer in dringenden Notfällen, läuft der LHC neun Monate am Stück, eine andere Vorgehensweise wäre ineffizient und natürlich zu teuer.
Nach Beendigung der Tests, war unser nächster Schritt, die Ergebnisse und Werte der Tests in einem CERN-übergreifenden EXCEL-Dokument einzubetten. Zum einen Teil mussten wir Werte abschreiben, zum anderen Teil den Dateienpfad, in dem das Testergebnis und seine Nummer gespeichert waren, in der EXCEL-Tabelle angeben.
In der ersten Woche haben wir aber nicht nur in dem Labor Pixel getestet und am Computer gewartet, bis die Tests abgeschlossen waren, sondern auch viele andere interessante und oft spaßige Dinge erlebt. So hat uns unsere Betreuerin, Dr. El Jarrari, eine Einführung in Elementarteilchenphysik gegeben, die sehr lehrreich war. Darüber hinaus konnten wir mit unseren CERN-Ausweisen gratis das CERN-Besucherzentrum besuchen, eine Art Museum, in dem die Grundzüge der Physik am CERN auf interessante und interaktive Weise ausgestellt werden.
Die zweite Woche unseres Praktikums am CERN begann am Montag mit einer Einführung in die Datenanalyse durch Fatima, eine Wissenschaftlerin am CERN. Sie präsentierte uns sowohl die grundlegenden Konzepte und Werkzeuge, die für die Analyse von experimentellen Daten eingesetzt werden, als auch die Anwendung dieser Technologien bei aktuellen Projekten des CERN. Während dieser Einführung berichtete sie uns beeindruckende Details über den ATLAS-Detektor, eines der größten Experimente am CERN: Der Detektor ist 44 Meter lang, hat einen Durchmesser von 22 Metern und wiegt 6000 Tonnen. Diese gewaltigen Dimensionen verdeutlichten uns die enorme technische Leistung, die hinter der Entdeckung und Analyse von Elementarteilchen steckt. Die Einführung vermittelte wertvolle Einblicke in die Vielschichtigkeit und die methodische Herangehensweise an die Verarbeitung der enormen Datenmengen, die von den Experimenten des CERN generiert werden.
Am Dienstag widmeten wir uns der Programmierung eines Arduino zur Temperaturmessung mithilfe von NTC-Thermistoren. Diese Arbeit stellte unsere Fähigkeiten im Umgang mit Mikrocontrollern auf die Probe und verdeutlichte die Bedeutung von Präzision und systematischer Fehlersuche. Ziel war es, ein System zu entwickeln, das Temperaturänderungen exakt erfasst und diese Daten für eine weitere Analyse aufbereitet.
Der Mittwoch stand vollständig im Zeichen der Datenauswertung. Mithilfe von Python programmierten wir ein Skript, das die gemessenen Temperaturdaten des Arduino in eine Excel-Tabelle überträgt und anschließend in einem Graphen visualisiert. Dabei lernten wir, wie wichtig eine gut strukturierte Datenaufbereitung ist, und wie man effiziente und gut dokumentierte Programme erstellt. Dieses Skript bildete die Grundlage für die nachfolgenden Tests.
Am Donnerstag konnten wir die Arbeit der vorangegangenen Tage in einer praktischen Anwendung testen. Gemeinsam mit unserem Betreuer Roman Mueller platzierten wir das Arduino-Temperaturmesssystem in einer Klimakammer. Dort wurde das System bei verschiedenen Temperaturbedingungen getestet, um sowohl die Genauigkeit der Messungen als auch die Zuverlässigkeit des Codes zu überprüfen. Diese Tests boten eine realistische Simulation der Herausforderungen, die auch bei Experimenten im großen Maßstab auftreten.
Der Freitag, der letzte Tag unseres Praktikums, stand ganz im Zeichen der Heimreise. Obwohl Enno und ich unterschiedliche Flüge gebucht hatten, endete unsere Rückkehr mit einem glücklichen Wiedersehen daheim. Mein Flug verlief ohne Komplikationen, während Enno mit unerwarteten Herausforderungen konfrontiert wurde. Sein Flug musste aufgrund technischer Probleme in Zürich zwischenlanden, was die Reise erheblich verzögerte. Trotz dieser Unannehmlichkeiten gelang es ihm, sicher und wohlbehalten anzukommen.
Das Praktikum am CERN war eine einzigartige Gelegenheit, die uns tiefgehende Einblicke in die Welt der Spitzenforschung ermöglichte. Die Arbeit in einem internationalen und hochprofessionellen Umfeld lehrte uns, wie wichtig interdisziplinäres Wissen, Teamarbeit und die Anwendung moderner Technologien sind. Besonders beeindruckt hat uns die Tatsache, dass selbst grundlegende Aufgaben, wie die Temperaturmessung, durch die Verbindung von Theorie und Praxis zu einem wichtigen Bestandteil der großen Experimente am CERN werden.
Darüber hinaus führte das Praktikum zu einem besseren Verständnis der Rolle, die Datenanalyse und Programmierung in der modernen Wissenschaft spielen. Es hat uns gezeigt, wie essenziell es ist, die Verbindung zwischen physikalischen Prinzipien und deren technischer Umsetzung zu verstehen. Diese Erkenntnisse werden nicht nur unsere akademische Laufbahn, sondern auch unseren persönlichen Blick auf die Welt nachhaltig beeinflussen.
Unser Praktikum am CERN war zweifellos eine außergewöhnliche und unvergessliche Erfahrung, die weit über unsere Erwartungen hinausging. Diese zwei Wochen boten uns die Möglichkeit, faszinierende Einblicke in die Welt der Spitzenforschung zu gewinnen und gleichzeitig unser theoretisches Wissen praktisch anzuwenden und zu erweitern. Die einzigartigen Erlebnisse, die wir dabei sammeln durften, werden uns noch lange in Erinnerung bleiben und haben unsere akademische sowie berufliche Orientierung nachhaltig geprägt.
Ein besonderer Dank gilt den Auricher Wissenschaftstagen, die dieses einmalige Praktikum durch ihre Unterstützung überhaupt erst ermöglicht haben. Ihr Engagement, jungen Talenten herausragende Möglichkeiten zu bieten, verdient höchste Anerkennung. Ohne diese Initiative hätten wir keine Gelegenheit gehabt, Teil eines so renommierten Forschungszentrums wie dem CERN zu sein und an zukunftsweisenden Projekten mitzuwirken.
Ein herzliches Dankeschön gilt auch unseren Betreuern und allen Mitarbeitern des CERN, die uns mit ihrem Fachwissen, ihrer Geduld und ihrer Unterstützung während des gesamten Praktikums begleitet haben. Sie haben es uns ermöglicht, in die Welt der Forschung einzutauchen und dabei nicht nur unser Wissen zu vertiefen, sondern auch ein tieferes Verständnis für die komplexen wissenschaftlichen Prozesse zu entwickeln. Ihr Engagement und Ihre Begeisterung für die Wissenschaft haben uns inspiriert und motiviert.
Wir sind zutiefst dankbar für diese Gelegenheit, die unser Verständnis für die Naturwissenschaften vertieft und uns auf persönlicher Ebene bereichert hat. Dieses Praktikum hat uns gelehrt, wie essenziell interdisziplinäre Zusammenarbeit und der Einsatz modernster Technologien sind, um die Grenzen des Wissens zu erweitern. Mit neuem Wissen, frischer Inspiration und unvergesslichen Erinnerungen blicken wir voller Zuversicht auf unsere zukünftigen Herausforderungen.
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