Spannende Experimente zum Urknall

Prof. Dr. Markus Cristinziani und Team präsentierten "Experimente zum Urknall". Fotos: Carsten Schmale

Prof. Dr. Markus Cristinziani führte die Kinderuni-Kinder in die Forschung mit Beschleunigern und Nachweisgeräten ein

Eine experimentelle Reise in die Genfer Unterwelt traten die Kinderuni-Kinder gemeinsam mit dem Physiker Prof. Dr. Markus Cristinziani an. Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist das größte Zentrum für physikalische Grundlagenforschung der Welt. Im Large Hadron Collider (LHC), einem rund 27 Kilometer langen, unterirdischen Ringbeschleuniger, werden Protonen oder Blei-Ionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um sie bei extrem hohen Energien aufeinanderprallen zu lassen. Dabei werden die Teilchen durch Magneten auf der Bahn gehalten. In den Kollisionen entstehen neue, winzige Teilchen, die Spuren in den angeschlossenen Detektoren (Nachweisgeräten) hinterlassen. Am Bau des innersten Pixel-Detektors im so genannten ATLAS-Experiment, waren die Siegener Physiker innerhalb einer Kollaboration beteiligt.

Ziel dieser Grundlagenforschung ist es, durch das Erzeugen neuer, kleinster Teilchen weitergehenden Aufschluss über bislang ungeklärte Schlüsselfragen der Physik zu erlangen. So wurde im Jahr 2012 das Higgs-Boson, ein Elementarteilchen, das im Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt, vorab aber noch nicht nachgewiesen werden konnte, nachgewiesen. Auch das World Wide Web  - also das Internet -  ist quasi als Nebenprodukt am CERN entstanden.

Der kosmischen Strahlung sind die Siegener Physiker ebenfalls in einer internationalen Kollaboration in der argentinischen Pampa auf der Spur. Im Pierre-Auger-Observatorium, das 2008 in Betrieb genommen wurde, werden die Teilchen untersucht, die entstehen, wenn die kosmische Strahlung, die hauptsächlich aus Protonen besteht, auf die Erdatmosphäre trifft. Materie besteht aus den positiv geladenen Protonen, den elektrisch neutralen Neutronen und den negativ geladenen Elektronen.

Vor den Augen der Kinder führten Prof. Cristinziani und sein Team das Verfahren der Beschleuniger und der Kollisionen am Beispiel eines Quark-Beschleunigers vor. Eine auf Fahrt gebrachte Kugel trifft auf ein Päckchen Quark und lässt dieses beim Aufprall in einem Behältnis „explodieren“. Am Beispiel eines Galton-Bretts führte der Wissenschaftler eindrucksvoll und nachvollziehbar die Normalverteilung nach Gauß vor. Kleine Metallkugeln werden in ein dreieckiges Gittergerüst gegeben und fallen durch die Stäbe nach unten. Besonders viele Kugeln sammeln sich in der Mitte unterhalb des Bretts an, weil zur Mitte hin besonders viele Wege führen. Wird die Mitte des Galtonbretts mit Hindernissen bestückt, flacht sich die Verteilung ab, die Kugeln landen vermehrt auch in den äußeren Bereichen unterhalb des Bretts. Das Experiment mit dem Galtonbrett zeigt, dass man anhand von Verteilungen in den Nachweisgeräten Aufschluss über die winzigen Teilchen in den Stößen gewinnen kann. So wurde zum Beispiel die Struktur der Atomkerne herausgefunden.

Woraus besteht die Welt? Die Philosophen der Antike dachten über diese Frage nach. Empedokles war der Ansicht, die Erde bestehe aus den vier Elementen Luft, Feuer, Wasser und Erde. Demokrit ging von unteilbaren winzigen Atomen aus. Heutige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen Antworten auf diese grundlegende Frage auf der Basis von Experimenten, deren Ergebnisse ausgewertet und beschrieben werden. Wie das funktioniert, davon erhielten die Kinderuni-Kinder einen Eindruck. Klar, dass es nach dem Vortrag viele Fragen gab.