Auricher Wissenschaftstage CERN

Vom 29.09.2018 bis zum 13.10.2018 hatten wir, Constanze Rudolph und Alina Ottersberg, die Möglichkeit, im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage, ein Praktikum im Bereich der Teilchenphysik am CERN zu absolvieren. Vor Ort bekamen wir einen ausführlichen Einblick in den Tätigkeitsbereich eines praktischen Physikers, haben sehr viele interessante Visits am CERN gemacht und konnten den Tätigkeitsbereich von theoretischen Physikern sehen und ihn mit dem der praktischen Physiker vergleichen.

In den zwei Wochen waren wir beim Team des ATLAS Silicon Pixel Detektors untergebracht.

Gebäude Atlas

ATLAS ist eines der vier großen Experimente am LHC. An diesem Experiment werden die Kollisionen von Protonen, mittels verschiedener Detektoren, erfasst.

Das Innere eines Magneten im LHC

Die Protonen werden in mehreren Vorbeschleunigern durch wechselnde elektrische Felder auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebracht und gelangen dann in den LHC, welcher die Teilchenpakete weiterhin beschleunigt, bis sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen. Die Protonen bewegen sich in zwei entgegengesetzten und voneinander getrennten
Beampipes, die sich an vier Experimenten kreuzen. An diesen Schnittstellen treffen die Protonen immer wieder aufeinander, sodass
Kollisionen geschehen, die dann neue Materie hervorbringen, welche von Detektoren erfasst werden. Der Silicon Pixel Detektor ist der Detektor, welcher den Kollisionen am nächsten ist. Er erfasst Teilchen mittels eines erzeugten elektrischen Feldes. Das elektrische Feld wird durch Dotierung erzeugt, wobei Fremdatome mit anderen Eigenschaften in das Ionengitter des Siliziums eingesetzt werden. Wenn man z.B. ein Atom mit einem Elektron mehr auf der Außenschale als Silizium in das Gitter einsetzt, so ist es n-dotiert, da es negativer als das Ausgangsmaterial ist. Bei der p-Dotierung wird ein Fremdatom mit einem Elektron weniger als Silizium eingesetzt, sodass ein Elektronenloch entsteht.
Zwischen der n- und p-dotierten Schicht entsteht dadurch eine Spannung und somit das bereits erwähnte elektrische Feld. Wenn nun ein geladenes Teilchen durch den Pixel fliegt, so entstehen Elektronenlochpaare, welche im elektrischen Feld driften können. Es gibt ein Signal an den p-Streifen,
welches mittels Auslesechips registriert werden kann.

Nach kleineren Problemen bei der Anreise kamen wir am Sonntag, den 30.09.2018 gut auf dem CERN-Gelände an und konnten problemlos unsere Zimmer beziehen.

Montag begann dann ganz offiziell unser Praktikum und wir bekamen unsere Access Cards und Dosimeter, welche wir zusammen mit unserer Betreuerin Susanne Kühn, die uns sehr herzlich empfing, abholten. Mit den Access Cards konnten wir uns ausweisen und ohne Probleme das Gelände verlassen und auch wieder betreten. Angekommen in unserem Gemeinschaftsbüro lernten wir weitere Mitarbeiter des ATLAS Pixel Detektor Teams kennen. Darunter auch Lingxin Meng, welche während
der zwei Wochen viel mit uns unternahm und uns geholfen hat. So gingen wir des Öfteren mit in die Testbeamhalle. Dort werden Experimente mit beschleunigten Protonen durchgeführt. Während sie uns die gesamte Halle zeigte, berichtete sie viel über verschiedenste Experimente. Ebenfalls gab sie uns einen Vortrag zum ältesten Teilchenbeschleuniger am CERN, dem Synchro-Zyklotron (SC).

Testbeamhalle

In der zweiten Woche lernten wir zudem noch Michael Hauschild kennen. Herr Hauschild führte mit uns viele weitere interessante Visits durch. Auf diese Weise bekamen wir die Gelegenheit den Kontrollraum des LHCs,
sowie den des ATLAS Experiments, die Large Magnet Facility und das Computer Zentrum zu besichtigen. Außerdem nahm er sich die Zeit, uns einen ausführlichen Vortrag über das Forschungsinstitut CERN und die Teilchenphysik zu geben. Wir erfuhren etwas über das Standartteilchen-modell und den Higgsmechanismus, sowie über zukünftige Forschungs-pläne. In der Welt der Teilchenphysik gibt es nämlich noch viele weitere offene Fragen, wie beispielsweise die Frage nach der dunklen Materie und der dunklen Energie, welche zusammen über zwei Drittel unseres Universums ausmachen. Sascha Dungs, ein weiterer Mitarbeiter des ATLAS Pixel Detektor Teams, demonstrierte einen Test zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit eines Silicon Pixel Detektormoduls. Bei diesem Versuch wird eine radioaktive Quelle auf das Detektormodul gerichtet, sodass jeder Pixel des Detektors mindestens einen „Hit“ registrieren müsste. Registriert ein Pixel keinen Hit, so lässt sich daraus schließen, dass es defekt ist.

Klimakammer Testbeamhalle

Unser Praktikum bestand natürlich nicht nur aus Führungen und Vorträgen, auch wenn wir diese sehr interessant und beeindruckend fanden. Durch das Erlernen von Grundlagen des Programmierens mit einem Arduino, welches gleich zu Beginn des Praktikums anstand, und der
Hilfe unserer Betreuerinnen Frau Meng und Frau Kühn durften wir unser eigenes Temperatursetup aufbauen. Wir begannen damit ein Shield für Temperatursensoren auszulegen und beendeten unser Projekt damit, Temperatursensoren an passende Stecker zu löten. Anschließend konnten wir die verwendeten Temperatursensoren mit einem Arduinoskript auslesen. Mit diesem Setup führten wir einige Messungen durch, die
danach auch im Institut genutzt wurden. Die gesammelten Daten plotteten wir dann mittels eines Pythonskripts.
Besondere Highlights dieses Praktikums waren für uns persönlich, die vielen interessanten Visits, das Bauen des Temperatursetups, sowie die Gespräche mit den praktischen Physikern, mit denen wir zusammen arbeiten durften und der theoretischen Physikerin Andrea Thamm. Wir erfuhren viel über den Berufsalltag von Physikern und erhielten auch viele hilfreiche Tipps für unsere Zukunft. Das Löten der Platine für das Temperatursetup und auch das Programmieren mit dem Arduino bereitete uns zudem sehr viel Spaß. Außerdem war es toll, dass unsere Messungen wirklich von den Forschern genutzt wurden. Als das Setup, nach dem Beheben eines kleinen Fehlers, tatsächlich funktionierte, waren wir beide sehr glücklich und stolz.

Unsere Platine auf Arduino

Abschließend lässt sich sagen, dass wir das Praktikum als sehr gelungen empfinden. Wir haben einen guten Einblick in die Arbeit eines praktischen Physikers am CERN bekommen, haben viele nette Leute kennengelernt, welche uns viel neues Wissen und auch viele Tipps zum Thema Studium etc. mitgegeben haben. Bezogen auf unser Studium konnten wir unsere Zukunftspläne durch dieses Praktikum festigen. Wir beide haben uns nämlich nach dieser Erfahrung dazu entschlossen, den Weg in die Teilchen-physik einzuschlagen. Wir sind sehr froh, dass uns diese Möglichkeit
geboten wurde. Es war eine wirklich unvergessliche Erfahrung. An dieser Stelle möchten wir uns außerdem auch bei den Auricher Wissenschaftstagen bedanken, durch welche uns diese einmalige Chance geboten wurde.

Text und Fotos: Constanze Rudolph und Alina Ottersberg

Herr Hauschild, Alina und Constanze


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