Praktikum am CERN

Ein Bericht über unseren Aufenthalt vom 06. – 18. Oktober 2019

Die Ankunft

Am 6.10 traten wir, Sven und Jannik, unsere Reise nach Genf zu unserem großartigen Praktikum am CERN an. Wir sind morgens gemeinsam zum Flughafen nach Bremen gefahren, von wo aus wir über Frankfurt nach Genf geflogen sind. Nachdem wir abends angekommen waren, haben wir unser Zimmer im Hostel des CERN bezogen und in der Cafeteria zu Abend gegessen.

Erste Woche

Am Montagmorgen haben wir beim Frühstück die Koordinatoren unseres Praktikums, Dominik und den langjährigen Cern-Physiker Michael Hauschild kennengelernt, der schon sehr viele Stipendiaten der Auricher Wissenschaftstage betreut hat. Außerdem lernten wir Julius kennen, der mit uns gemeinsam eine Woche als Praktikant verbracht hat. Als wir uns zum Labor begaben, stellten sich uns die Doktoranden Jens und Katharina vor, die uns die kommenden zwei Wochen betreuen sollten. Danach sind wir dann mit Michael zur Anmeldung gegangen, wo wir unsere Zugangskarten, sowie unsere Daten für den CERN Computing Account (WiFi) erhalten haben. In der anschließenden Kaffeepause saßen wir dann mit einem Großteil des CLIC-Teams zusammen. Darauf folgte ein umfangreicher Vortrag über das CERN und über die Teilchenphysik von Michael.

Auszug aus dem Vortrag von Michael Hausschild

Während des gesamten Praktikums arbeiteten wir mit dem CLIC-Team zusammen, dabei steht CLIC für Compact LInear Collider. Das Team ist verantwortlich für die Entwicklung eines geplanten Teilchenbeschleunigers und Detektors, mit dem man sogenannte „supersymmetry“ (SUSY) Teilchen konkret nachweisen und untersuchen könnte. Diese Teilchen könnten Erklärungen für bereits bestehende Theorien liefern und das Standardmodell erweitern, vorausgesetzt dass am LHC Hinweise auf die Existenz dieser Teilchen geliefert wird.

Unser Projekt

Noch am selben Tag haben wir unser Projekt in Angriff genommen. Wir sollten während der nächsten Tage die exakte Temperatur eines Silizium-Detektorchips mit einer Infrarotkamera zu bestimmen. Dafür haben wir zunächst bei einem „toten“ Detektor-Chip die Betriebswärme simuliert, indem wir den Chip mit einem Peltier-Element erhitzten. Um dann eine Eichkurve für die IR-Kamera zu ermitteln, benötigten wir einen Temperatursensor als Referenz. Dazu verwendeten wir ein PT1000, das wir an dem Silizium-Chip auftrugen. Da es sich um einen

Platin-Messwiderstand hielt, mussten wir mithilfe eines Messgerätes zunächst den Widerstand des PT1000 messen und konnten dann mittels einer Formel die Temperatur ausrechnen.

Unser Versuchsaufbau zur Kalibrierung der Infrarotkamera

Die Eichkurve

Der zweite Teil unserer Aufgabe bestand darin eine I/V-Messung an einem entsprechenden

Silizium-Dektorchip durchzuführen. Um unser Vorgehen für den teuren Chip erst zu erproben, haben wir zunächst einen vergleichbaren Aufbau anhand einer handelsüblichen Diode getestet, um die

Reverse-Breakdown-Spannung zu berechnen. Dafür haben wir mittels eines Python-Scripts und eines Messgeräts mit Netzwerkfunktion die gesuchten Werte gemessen, diese dann grafisch mit dem Programm „Root“ dargestellt und ausgewertet. Daraufhin haben wir die Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen wiederholt, um so die Stromstärke in Abhängigkeit zur Temperatur zeichnen zu können.

Errechnete Eichkurve für die Wärmebildkamera
Messvorrichtung für einen CLICPix Detektor-Chip
Unsere Messergebnisse der Reverse-Breakdown-Spannung einer Diode in Abhängigkeit der Temperatur

Führungen

Neben unserem Projekt haben wir am CERN natürlich noch an vielen verschiedenen Führungen teilgenommen.

Testbeamhalle:

Am Mittwoch hat Michael uns eine Führung durch die North Area, genauer gesagt der Testbeamhalle gegeben. In der Testbeamhalle wird mit Hilfe eines „kleinen“ Teilchenstrahls bei verschiedensten Experimenten und mit unterschiedlicher Ausrüstung Tests durchgeführt, für die kein großer Teilchenbeschleuniger benötigt wird. Hier werden zum Beispiel auch die Prototypen für die CLIC Siliziumdetektor-Chips getestet.

 

Versuchsaufbau mit CLICPix in der Testbeamhalle

Am Mittwoch hat Michael uns eine Führung durch die North Area, genauer gesagt der Testbeamhalle gegeben. In der Testbeamhalle wird mit Hilfe eines „kleinen“ Teilchenstrahls bei verschiedensten Experimenten und mit unterschiedlicher Ausrüstung Tests durchgeführt, für die kein großer Teilchenbeschleuniger benötigt wird. Hier werden zum Beispiel auch die Prototypen für die CLIC Siliziumdetektor-Chips getestet.

Ausgang des beschleunigten Teilchenstrahls zu den Experimenten in der Testbeamhalle

CCC:

Zudem zeigte Michael uns mit dem Cern Control Center den Ort, an dem die Detektoren des Large Hadron Collider und der LHC selbst sowohl gesteuert, als auch überwacht werden.

Das CERN Control Center

ATLAS:

Am Donnerstag haben wir uns A Toroidal LHC ApparatuS, kurz ATLAS angesehen. Der ATLAS-Detektor ist eines der großen Experimente am LHC, an dem unter anderem auch das berühmte Higgs-Boson entdeckt wurde. Die Experimente finden an den Punkten entlang des großen Beschleunigerrings statt, an denen die tatsächlichen Kollisionen stattfinden und die die eigentlichen Detektoren darstellen. Bei einer Kollision wird von den Detektoren eine Datenmenge von unglaublichen einem Petabyte pro Sekunde erzeugt. Um diesen riesigen Datenstrom auswerten zu können, muss er zuerst reduziert und gefiltert werden. Dies geschieht zuerst am Detektor selbst, wo der Datenstrom in zwei Stufen auf „nur“ einen Gigabyte pro Sekunde verringert wird und dann zum CERN Data Centre geschickt wird.

Ein "kleiner" Ausschnitt des ATLAS-Detektors
Modell des ATLAS-Detektors und der betreffende Bildausschnitt

CERN Data Centre

Am nächsten Tag besichtigten wir am Freitag das Cern Data Centre, in dem die Daten der Experimente gespeichert werden, um sie zu einem späteren Zeitpunkt auswerten zu können. Auf dem Gelände des CERN befindet sich aber nicht die gesamte Leistung des Datacenters. Die Daten werden auf verschiedene Knotenpunkte weltweit verteilt und zusätzlich gesichert. Des Weiteren stellt das Wigner Data Centre in Budapest, Ungarn einen großen Teil der Rechenleistung zur Verfügung.

Antimatter Factory

Ebenfalls am Freitag besuchten wir die Antimatter Factory, in der Experimente zur Antimaterie durchgeführt werden. Dafür müssen allerdings zunächst Antiteilchen erzeugt werden. Dazu werden Protonen mit hoher Energie auf ein Target geschossen, wobei ein Material mit hoher Dichte, z.B. Wolfram, verwendet wird, um die Wahrscheinlichkeit einer Proton-Proton-Kollision zu erhöhen. Unter Umständen wird bei der Wechselwirkung die zugeführte kinetische Energie in Masse umgewandelt und es entsteht ein Teilchen-Antiteilchenpaar. Um die Teilchen zu isolieren, werden diese aufgrund ihrer komplementären Ladung mithilfe von Magneten auf unterschiedliche Bahnen gelenkt und danach entschleunigt. Für weitere Experimente kann man auch Antiwasserstoffatom herstellen, welches aus einem Antiproton und einem Antielektron (Positron) besteht. Das Positron wird dafür aus dem ß+ Zerfall gewonnen und mit dem Antiproton kombiniert. Diese Verbindung ist dann der Antiwasserstoff.

Experiment zur Untersuchung der Eigenschaften von Antimaterie hinsichtlich Gravitation
Eingang zur Antimatter-Factory

Synchro-Zyklotron

Am Dienstag der zweiten Woche haben wir den ersten Teilchenbeschleuniger des CERN besucht, der den Einstieg Europas in die Hochenergiephysik markierte. Das Synchro-Zyklotron erzeugte seinen ersten Teilchenstrahl im Jahr 1957 und beschleunigte Ionen auf eine Energie von 600 MeV. Heutzutage wird die Halle, in der sich der Beschleuniger befindet, für Anschauungszwecke verwendet. Anschließend wurde uns durch eine Präsentation die Geschichte des CERN erläutert, wobei diese immer wieder durch sehr anschauliche Animationen ergänzt wurde.

Das original erhaltene Synchro-Zyklotron

Unsere Eindrücke

Während des Praktikums am CERN haben wir viele für uns bedeutende Erfahrungen machen dürfen. Nicht nur unsere Arbeit, sondern auch der rege Austausch mit Wissenschaftlern ist uns besonders in Erinnerung geblieben. Daraus konnten wir wichtige Erkenntnisse für unsere spätere Berufsorientierung mitnehmen. Bei unserem Projekt hat uns vor allem die selbstständige Arbeitsweise sehr gut gefallen. Generell sind wir durch die Zeit am CERN viel selbstständiger geworden, da wir uns größtenteils selbst organisieren mussten. Trotzdem haben uns unsere Betreuer immer mit Rat und Tat unterstützt und sich viel Zeit für uns genommen, egal wie spezifisch oder komplex unsere Fragen waren. Außerdem ist uns die Moral der CERN-Mitarbeiter besonders aufgefallen. Obwohl die Arbeitszeiten nicht kontrolliert werden, haben sich die Mitarbeiter hoch engagiert ihrer Forschung gewidmet und dabei ihre Tätigkeit aus dem Antrieb heraus ausgeübt, die Welt vollständig verstehen zu wollen. Der Forscherdrang stellt für viele der Wissenschaftler am CERN eine zentrale Motivation dar. Des Weiteren hat uns die multikulturelle Atmosphäre sehr gefallen. In Anbetracht der internationalen Bedeutung des CERN wird mit Wissenschaftlern aus aller Welt zusammengearbeitet. Besonders ist hierbei auch der nette Kontakt zwischen den Praktikanten aus allen möglichen Ländern festzustellen. Daher fand der Großteil der Kommunikation auf Englisch statt.

Abschließend möchten wir uns nochmal beim gesamten CLIC-Team, insbesondere unseren sehr engagierten Betreuern bedanken. Unser Dank gilt auch den Auricher Wissenschaftstagen und ihren Organisatoren, die uns dieses einmalige Erlebnis überhaupt erst möglich gemacht haben.

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