Akustische Ortung

Sonar (Sound Navigation And Ranging) ist eine gängige Methode zur Ortung und Lokalisierung von Objekten. Ein bekanntes Beispiel ist die Lokalisierung von U-Booten im Wasser. Es kann aber auch eingesetzt werden, um zum Beispiel die Position von Detektoren im tiefen Eis der Antarktis (Akustisches Modul - IceCube-Observatorium) oder den Abstand zwischen einer Schmelzsonde in Eis und vorhandenen Hindernissen (Vorfelderkundungssystem TRIPLE-Projekt) durch die Messung von Schallreflexionen zu bestimmen.

In diesem Projekt habt ihr die Möglichkeit, das Funktionsprinzip des aktiven Sonars kennenzulernen. Durch einen veranschaulichten Experimentaufbau erhaltet ihr direkten Einblick in die Entwicklungsarbeit der oben genannten Projekte und lernt einige Werkzeuge der Experimentalphysik kennen. Die Arbeit wird hauptsächlich im Labor durchgeführt. Ihr könnt das Experiment eigenständig aufbauen, akustische Daten generieren und aufzeichnen. Anschließend könnt ihr die aufgezeichneten Daten am Computer visualisieren und analysieren.

Laser-Interferometrie für Gravitationswellen

Schon Ende des 19. Jahrhunderts wurden (Licht-)Interferometer in der Physik benutzt. Das bekannteste Experiment ist wohl das Michelson-Morley Experiment, bei dem die Existenz des so genannten „Aethers" widerlegt wurde. Heutzutage werden Laser-Interferometer zur Detektion von Gravitationswellen benutzt. 2017 gab es dafür auch den Nobelpreis, nachdem 2015 das LIGO Experiment zum ersten Mal überhaupt Gravitationswellen entdeckt hatte. Jetzt gibt es Pläne, weltweit solche Interferometer zu bauen, um nicht nur Gravitationswellen zu detektieren, sondern auch ihre Herkunft und ihren Ursprung zu erforschen. In Europa ist das Einstein Teleskop geplant, das eventuell auch in der Nähe von Aachen errichtet werden könnte.

Hier werdet ihr die Möglichkeit haben, selbst ein Laser-Interferometer zu bauen. Auch wenn ihr damit wahrscheinlich keine Gravitationswellen entdecken werdet, könnt ihr doch interessante Eigenschaften von Licht beobachten. Zum Beispiel kann man sehr gut die Wellenlänge des Lichts messen.

Quantenphysik im Experiment

„Niemand versteht Quantenmechanik.“ Dieser Satz stammt von Richard Feynman, der für seine Arbeit zur Quantenelektrodynamik 1965 den Nobelpreis für Physik erhalten hat. Bis heute stellt die Quantenmechanik Physikerinnen und Physiker vor große Rätsel. Etliche Phänomene der Quantenphysik können zwar mathematisch korrekt beschrieben werden, hinsichtlich der physikalischen Deutung dieser gibt es bislang allerdings nur Ansätze und keine als allgemeingültig anerkannte Theorie.

An diese geheimnisvolle Welt könnt ihr euch in diesem Projekt experimentell annähern. Euch stehen hierfür Versuchsaufbauten für Einzelphotonenexperimente zur Verfügung, mit denen wir verschiedene Phänomene der Quantenphysik betrachten können. Zur Auswahl stehen:

• Quantenverschränkung
• Einzelphotonen-Michelson-Interferometrie
• Quantenradierer
• Hong-Ou-Mandel Effekt

In diesem Projekt sucht ihr euch einzelne Phänomene aus. Ihr lernt ihre physikalischen Hintergründe kennen, baut die Versuchsaufbauten entsprechend auf und könnt die Phänomene beobachten und mathematisch beschreiben.

Ra­ster­tun­nel­mi­kro­sko­pie

Die Rastertunnelmikroskopie (engl. Scanning tunneling microscopy, abgekürzt STM) ist eine Technik, mit der Visualisierungen von feinen Strukturen bis hin zur Abbildung von einzelnen Atomen angefertigt werden können. Die Technik, deren Erfinder dafür 1986 den Nobelpreis für Physik erhalten haben, basiert auf einem Phänomen der Quantenmechanik, dem Tunneleffekt. Dieser besagt, dass Quantenteilchen wie beispielsweise Elektronen in der Lage sind, durch vorhandene Barrieren durchzufliegen – dies wird oft damit verglichen, dass man einen Ball gegen eine Wand wirft, der Ball aber einfach durch die Wand durchfliegt, anstatt von ihr abzuprallen.

In diesem Projekt habt ihr die Möglichkeit, selbst an einem STM zu arbeiten. Ihr werdet die Funktionsweise des STMs sowie die physikalischen Grundlagen des Tunneleffekts kennen lernen. Experimentelle Aufgabe für euch ist es, die Atomstruktur von Graphit mithilfe des STMs sichtbar zu machen, ihr werdet also im Laufe des Projektes atomare Auflösung erreichen. Durch eine Laborführung erhaltet ihr Einblicke, in welcher Form an der RWTH Aachen STMs genutzt werden und welcher Aufwand betrieben wird, um mit den Geräten forschen zu können.

Sensorsteuerung mit Arduino-Mikrocontrollern

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Alltagselektronik, z.B. in Handys oder Autos, werden heute verschiedenste Sensoren eingesetzt. Durch physikalische Messungen können so Geräte oder Experimente abhängig von den Umgebungsbedingungen gesteuert werden. In diesem Projekt schließt ihr einen programmierbaren Arduino-Mikrocontroller an verschiedene Sensoren an, um physikalische Werte von der Lufttemperatur bis zum Erdmagnetfeld zu messen. Anschließend lernt ihr, diesen Mikrocontroller zu programmieren, um einen tragbaren Detektor zu bauen, der diese Messdaten ausliest, kombiniert, auswertet und auf einem Display anzeigt.

Astroteilchenphysik mit IceCube

Das IceCube Neutrino Observatory ist ein Experiment am Südpol zur Detektion von Neutrinos, winzigen und ungeladenen Elementarteilchen. Sie können nahezu ungehindert das gesamte Universum durchqueren und uns dadurch Einblicke in unser Universum und kosmischen Objekten, wie schwarzen Löchern, liefern. Nach den Photonen, den Lichtteilchen, sind Neutrinos die häufigste Teilchenart in unserem Universum, mit 300 Neutrinos pro Quadratzentimeter! Trotz ihrer Häufigkeit wissen wir nur wenig über sie, weil sie nur sehr selten wechselwirken und somit schwer zu messen sind. Mit IceCube ist es trotzdem möglich, sie zu detektieren. Dafür ist das antarktische Eis mit über 5000 Lichtsensoren instrumentiert, um die Spuren von Teilchen, die in den seltenen Neutrinointeraktionen entstehen, nachzuweisen. Im Rahmen dieses Projekts werdet ihr die Daten von IceCube analysieren, um mehr über Neutrinos und unser Universum zu erfahren.

In Kombination mit den Oberflächendetektoren IceTop und IceAct ist IceCube ein idealer Detektor zur Untersuchung von kosmischer Strahlung. Diese kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen und schwereren Atomkernen, die in unserer Sonne, dem Sonnensystem und weit entfernten Galaxien entstehen. Gemeinsam werden wir uns auf die Spur der kosmischen Strahlung begeben, sie mit selbst gebauten Nebelkammern sichtbar machen und bei einer Analyse von echten IceTop-Daten genauer untersuchen.

Ausdehnung des Universums

Unser Modell des Universums beginnt mit dem Urknall vor etwa 13,6 Milliarden Jahren. Seitdem beobachten wir eine stetig zunehmende Expansion des Universums. In diesem Projekt werden wir diese Expansion und die Methoden zu ihrer Bestimmung unter die Lupe nehmen.

Durch Experimente zur Luminositätsdistanz und dem Dopplereffekt werden wir die Grundlagen dieser Messungen verstehen. Zudem werden wir die Expansion des Universums basierend auf Aufnahmen von Supernovae und Cepheiden bestimmen und dabei tiefer in die Geheimnisse des Weltalls eintauchen. Wir werden unser eigenes Hubble-Diagramm erstellen, das die Rotverschiebung, welche die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien darstellt, und ihre Entfernung zu uns abbildet. Dabei stellt besonders die Messung des Abstands zu weit entfernten Galaxien eine Herausforderung dar.

Künstliche Intelligenz

Alle reden von künstlicher Intelligenz, aber was steckt eigentlich dahinter? Könnt Ihr das selbst machen? Und was hat das mit Physik zu tun?

Mit ChatGPT sind die rasanten Entwicklungen in der künstlichen Intelligenz in unserem Alltag sichtbar geworden. Aber auch in unseren Smartphones, in den Streaming-Diensten, die wir nutzen, und in vielen anderen Bereichen steckt schon eine Menge künstlicher Intelligenz. Das haben sich auch Forschende in vielen Forschungsbereichen der Physik zunutze gemacht. Und es erlaubt Fortschritte, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren. Zum Beispiel können wir jetzt Teilchen an Teilchenbeschleunigern mit Hilfe künstlicher Intelligenz viel präziser messen.

Hinter dem Erfolg der künstlichen Intelligenz stehen sogenannte tiefe neuronale Netzwerke. In diesem Projekt werdet Ihr in die Welt dieser Netzwerke eintauchen. Ihr werdet verstehen, was dahinter steckt und Ihr werdet selbst solche Netzwerke programmieren, um nach Teilchen in Daten des weltweit größten Teilchenbeschleunigers zu suchen.