Praktikum bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN)

Praktikum vom 16.10.2023 zum 27.10.2023
von Lasse Willing und Nico Kwade

Im Rahmen des Stipendiaten-Programmes der Auricher Wissenschaftstage haben wir die Möglichkeit bekommen, ein Praktikum am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung zu absolvieren.

Am Sonntag, den 15.10.2023 ging unsere Reise um 08:30 Uhr am Bahnhof im Emden los. Eigentlich sollten wir um 19:45 Uhr am Genfer Bahnhof ankommen. Allerdings verzögerte sich die Fahrt aufgrund einiger ausgefallener Züge, sodass wir schlussendlich um 21:00 Uhr in Genf ankamen.
Mit der Tram fuhren wir durch das Science Gateway, dem Tor zur Wissenschaft, direkt bis zur Meyrin-Site des CERN. Es gibt mehrere CERN-Gelände, sogenannte Sites, die sich teilweise in der Schweiz und teilweise in Frankreich befinden. Die Meyrin-Site befindet sich auf der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Dort befand sich unser Arbeitsplatz, sowie auch unsere Unterkunft. Nachdem wir uns beim Guard identifiziert hatten, durften wir das CERN-Gelände betreten.

Der nächste Morgen begann mit dem Einrichten unserer CERN-Access-Karten und Computing-Accounts. Außerdem trafen wir unsere Supervisor Dr. Susanne Kühn und Hassnae El Jarrari.
Da unsere Accounts noch nicht vollständig freigeschaltet waren, konnten wir die nötigen Sicherheitseinweisungen noch nicht absolvieren. Deshalb haben wir den Rest des Tages dafür genutzt, das CERN-Gelände auf eigene Faust zu erkunden. Das Gelände ist aufgebaut wie eine kleine Stadt. Neben den zahlreichen Forschungseinrichtungen gibt es verschiedenste Unterkünfte und Restaurants sowie einen Rettungsdienst und eine Feuerwehr.

CERN Gelände Sicht auf das CERN Gelände von Eingang B

Am Abend fand zudem noch eine Poster-Session statt, wo verschiedene Forscher die Ergebnisse ihrer Arbeiten in Form von Plakaten vorstellten. Dies war Teil der jährlichen ATLAS-Week, einer Kollaborationswoche, in der sich alle Wissenschaftler, die am ATLAS-Experiment beteiligt sind, treffen und austauschen. ATLAS ist einer der Teilchendetektoren am CERN. An diesem Detektor wurde unter anderem im Jahre 2012 das Higgs-Boson nachgewiesen.

Poster Session

Am Dienstag nahmen wir zunächst am wöchentlichen Meeting des ATLAS-Teams teil. Hierbei stellen immer jeweils einige Teilnehmer vor, woran sie derzeit arbeiten. Im Anschluss wird dann im gesamten Team über mögliche Probleme und deren Lösung diskutiert.
Nach dem Meeting haben wir Julian, einen der Doktoranden am CERN, durch seinen Tag begleitet. Zunächst fuhren wir ins benachbarte Frankreich, um neue Aluminium-Bauteile für ein Messgerät abzuholen, mit dem die Ebenheit bestimmter Bauteile des ATLAS-Detektors überprüft werden kann. Diese haben wir anschließend eingebaut. Hierzu mussten wir in einen Reinraum, in dem man Kittel, Schuhüberzieher, sowie Haarnetze tragen muss. Außerdem wurde die konstante Temperatur und Luftfeuchtigkeit ständig überwacht. Dies ist notwendig, damit sich möglichst wenig Partikel in der Luft befinden und somit die sehr feinen elektronischen Bauteile nicht gestört oder beschädigt werden.
Vor dem Mittagessen hatten wir dann noch Zeit, um mit Julian den LEIR zu besichtigen. Im LEIR werden die Teilchen, in diesem Fall Blei-Ionen, auf eine gewisse Geschwindigkeit beschleunigt, bevor sie in den LHC weitergeleitet werden. Als Large Hadron Collider, kurz LHC, wird der große Teilchenbeschleuniger am CERN bezeichnet. Der LHC hat einen Umfang von etwa 26,7 Kilometer Länge und ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. In diesem werden die Teilchen dann nochmals weiter beschleunigt, bis sie dann in einem der Detektoren kollidieren.
Am Nachmittag besichtigten wir das Data Centre, in welchem die Daten aller Experimente am CERN gesammelt, gespeichert und verarbeitet werden. Außerdem haben wir mithilfe von CAD-Software ein letztes fehlendes Bauteil für das Messgerät entworfen und 3D-gedruckt.

LEIR

Nachdem wir am Vortag alle notwendigen Sicherheitstrainings absolviert hatten, konnten wir am Mittwoch endlich in das Labor, in dem wir auch die nächsten zwei Wochen arbeiten sollten. Da in dem Labor jedoch radioaktive Stoffe gelagert und mit diesen experimentiert wurde, mussten wir außerdem noch ein Dosimeter tragen, um aufzuzeichnen, ob und wie viel Strahlung wir ausgesetzt wurden. Am Ende des Praktikums hat sich beim Auslesen der Dosimeter gezeigt, dass die Strahlendosis weniger als 0,01 Millisievert betrug. Die Strahlung war also verschwindend gering.

Im Labor konnten wir schließlich das Experiment aufbauen, an dem wir während des Praktikums gearbeitet haben. Es ging um die Neukallibrierung der Temperaturmessung auf den einzelnen Detektoren im ATLAS-Projekt. Genauer ging es um den Inner Pixel Tracker, welcher den innersten Kern des großen ATLAS Detektors bildet. Dieser muss erneuert werden, da der LHC ab 2026 zum High Luminosity LHC ausgebaut wird. Das Hauptziel ist, dass Teilchenkollisionen noch häufiger und intensiver stattfinden können. Dafür werden nicht nur die Magneten und Stahlführungen erneuert, sondern auch die Detektoren umgebaut, um den höheren Energien standzuhalten. Der Inner Pixel Tracker besteht aus vielen kleinen Halbleiter-Detektoren, die ringförmig um den Kollisionspunkt der Teilchen angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann gemessen werden, ob und welche Teilchen den Detektor in welche Richtung durchqueren. Die Halbleiter-Detektoren sind wie ein kleiner Computerchip aufgebaut, der mehrere Funktionen hat. Eine Funktion ist die Temperaturmessung der Chips mithilfe eines Kaltleiter-Widerstands (NTC). Dabei verändert sich der Widerstand des Halbleiters in Abhängigkeit von seiner Temperatur. Es kann also von dem gemessenen Widerstand auf die Temperatur geschlossen werden. Dies geschieht zunächst mit einem Arduino-Programm, welches die Steinhart-Hart-Gleichung nutzt, um aus dem gemessenen Widerstand die Temperatur zu berechnen. Die Gleichung enthält drei Koeffizienten, die für jeden Kaltleiter-Widerstand spezifisch sind. Unsere Aufgabe war es, diese Koeffizienten zu aktualisieren, sodass sie auch für den neuen Inner Pixel Tracker genutzt werden können. Dazu musste zuerst festgestellt werden, bei welcher Temperatur der NTC welchen Widerstand hat. Mit einem Absolut-Thermometer und einem Multimeter konnten wir Temperatur und Widerstand des NTCs in einer Klimakammer messen und so ein Gleichungssystem aufstellen, mit dem wir die drei Steinhart-Hart-Koeffizienten berechneten. Danach haben wir uns mit Hassnae in den Arduino-Code eingearbeitet, der bereits von jemand anderem für die alten Detektoren geschrieben wurde. Nach der Aktualisierung des Codes mussten jedoch noch weitere Messungen durchgeführt werden, um unsere Ergebnisse zu überprüfen und eventuelle Messungenauigkeiten abzuschätzen. Insgesamt haben wir über 6 Tage verteilt 23 Stunden gebraucht, um die Messungen durchzuführen.

Setup mit Kühlkammer (links) und Arduino (rechts) ITK Pix Halbleiter-Detektor (©RD53 Collaboration)

Im Verlauf der Woche hatten wir neben dem Durchführen unseres Experimentes auch die Möglichkeit einige weitere Einrichtungen am CERN zu besichtigen. Im ATLAS Visitor Centre hat man die Möglichkeit den Aufbau des gesamten ATLAS Detektors und seiner verschieden Schichten genauer zu betrachten. Außerdem erhält man einen Einblick in das Kontrollzentrum des ATLAS, von dem alle Messungen überwacht werden. Leider konnten wir den Detektor nicht direkt besichtigen, weil dies nur möglich ist, wenn der LHC außer Betrieb ist. Jedes Jahr wird der Teilchenbeschleuniger für mehrere Monate abgeschaltet, um Wartungen durchzuführen. Dies geschieht von November bis März, weil die Energiekosten im Winter zu hoch sind.
Neben dem ATLAS Visitor Centre konnten wir auch die Antimatter-Factory besuchen. Hier wird Antimaterie, also Teilchen die trotz gleicher Eigenschaften eine entgegengesetzte Ladung zur gewöhnlichen Materie besitzen, erzeugt und mit ihr experimentiert. Vor kurzem konnte beispielsweise in dem GBAR Experiment das Verhalten von Antimaterie unter Gravitation untersucht werden. Es wurde nachgewiesen, dass Antimaterie von Gravitation genauso beeinflusst wird wie gewöhnliche Materie.

Antimatter-Factory

Am Wochenende haben wir die freie Zeit dazu genutzt, Genf zu erkunden. Neben den zahlreichen Geschäften, die Genf zu bieten hat, haben wir uns unter anderem die St. Peters Kathedrale, die Reformationmauer, den Jet d’eau und den Palais des Nations, den Hauptsitz der Vereinten Nationen (UNO) in Genf, angeschaut. Zudem hat Genf ein großes Angebot an Museen. Am Sonntag haben wir beispielsweise das Centre de la photographie Genève besucht. Außerdem besuchten wir das CERN Science Gateway, das neuen Besucherzentrum des CERN, welches zwei Wochen zuvor eröffnet wurde. Hier kann man kostenlos einen Einblick in die Arbeit am CERN erhalten.

Den Anfang der zweiten Woche haben wir, neben der Fortsetzung unseres Projektes, dazu genutzt, eine Präsentationen über dieses zu erstellen. Am Dienstagmorgen sollten wir nämlich hierüber im ATLAS-Meeting referieren. In der Präsentation haben wir unsere Vorgehensweise, unsere Ergebnisse und die Fehlerberechnung vorgestellt. Außerdem haben wir unsere Ergebnisse mit den Angaben des Herstellers sowie mit den Messungen anderer Personen verglichen, die den selben NTC-Widerstand in anderen Umgebungen getestet haben. sowie einen Vergleich zu Messungen anderer gezogen. Unsere Präsentation diente auch der Dokumentation und Sicherung unserer Ergebnisse für spätere Forschungen. Daher wurde die Präsentation auch für alle Mitarbeiter der ATLAS-Projektes veröffentlicht.

[Link zur Präsentation]

An dem letzten Tag unseres Praktikums hatten wir noch die Möglichkeit, mit einem Dozenten und einer weiteren Schülerin, die im Rahmen des nationalen Projektes Netzwerk Teilchenwelt ein Praktikum am CERN absolviert hat, den sogenannten Testbeam zu besichtigen. Hier können Wissenschaftler ihre Experimente in die Strahlen des Teilchenbeschleunigers stellen, um mit diesen Messungen durchzuführen oder zu überprüfen, ob sie der Bestrahlung standhalten.

Testbeam

Am Freitagmorgen haben wir zunächst aus unserem Hostel ausgecheckt. Im Anschluss hatten wir noch Zeit, wie jeden Tag im Restaurant 1 des CERN zu frühstücken. Danach haben wir uns mit der Tram auf den Weg zum Bahnhof gemacht. Dort fuhr um 10:15 Uhr unser Zug nach Hause ab. Um 21:30 Uhr sind wir pünktlich wieder am Emder Bahnhof angekommen.

Wir möchten uns an dieser Stelle noch einmal ganz herzlich beim CERN für diese sehr spannenden Erfahrungen bedanken. Ein besonderer Dank gilt Dr. Susanne Kühn und Hassnae El Jarrari, die sich während des Praktikums intensiv um uns gekümmert haben und uns mit Rat und Tat zur Seite standen. Auch bei allen anderen, die sich für uns Zeit genommen haben, möchten wir uns bedanken. Zudem danken wir den Auricher Wissenschaftstagen, die uns dieses Stipendium erst ermöglicht haben. Wir sind dankbar für die Erfahrungen und die Kontakte, die wir knüpfen konnten. Für unsere berufliche, aber auch persönliche Entwicklung waren diese von großer Bedeutung.

Von links nach rechts: Dr. Susanne Kühn, Nico Kwade, Lasse Willing und Hassnae El Jarrari

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