Akustische Ortung

Sonar (Sound Navigation And Ranging) ist eine faszinierende Methode, um Objekte mit Schallwellen zu orten und Entfernungen zu messen. Ursprünglich bekannt durch die Ortung von U-Booten, spielt Sonar auch in der modernen Forschung eine wichtige Rolle – zum Beispiel beim IceCube-Observatorium in der Antarktis, wo es helfen wird, die Position von Detektoren zu bestimmen, die sich über einen Kilometer tief im Eis befinden. Auch beim TRIPLE-Projekt, das eine Schmelzsonde für den Einsatz auf fremden Himmelskörpern entwickelt, nutzt man Sonar, um Hindernisse im Eis frühzeitig zu erkennen.

In diesem Projekt werdet ihr selbst lernen, wie aktives Sonar funktioniert. Ihr baut ein Experiment auf, erzeugt und messt Schallwellen im Wasser und nutzt diese Daten, um Gegenstände präzise zu lokalisieren. Außerdem werdet ihr lernen, welche Rolle die präzise Lokalisierung für TRIPLE und IceCube spielt.

Astroteilchenphysik mit dem IceCube-Neutrino-Observatorium

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 kosmische Objekte, wie schwarze Löcher, liefern. Nach den Photonen, den Lichtteilchen, sind Neutrinos, mit 300 Neutrinos pro Quadratzentimeter, die zweithäufigste Teilchenart in unserem Universum! 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.

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.

Laser-Interferometrie für Gravitationswellen

Gravitationswellen verformen die Raumzeit minimal und bewirken, dass die Erde um den Bruchteil eines Atoms gestaucht oder gestreckt wird. Um diese winzigen Effekte nachzuweisen, nutzen Forschende extrem präzise Laserinterferometer wie beim LIGO-Experiment. Ein solches Observatorium, das Einstein-Teleskop, könnte bald in der Nähe von Aachen entstehen und Gravitationswellen noch genauer untersuchen.

Interferometer beruhen auf den Welleneigenschaften von Licht. In diesem Projekt werdet ihr lernen, welche Prinzipien das sind und wie man sie sich zunutze macht. Hierfür baut ihr euer eigenes kleines Interferometer und nutzt es, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen und die Wellenlänge eines Lasers genau zu bestimmen. Dabei werdet ihr sehen, wie empfindlich Interferometer auf kleine Änderungen reagieren, und verstehen, wie wir sie nutzen, um Gravitationswellen zu messen.

Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums

Als Max Planck im Jahr 1900 das Wirkungsquantum entdeckte, legte er damit den Grundstein für die Quantenmechanik. Später zeigte Albert Einstein, dass Lichtenergie in kleinste Einheiten – sogenannte Lichtquanten – aufgeteilt ist. Das Planck’sche Wirkungsquantum beschreibt den Zusammenhang zwischen der Energie eines Lichtquants und seiner Frequenz.

In diesem Projekt bestimmt ihr das Planck’sche Wirkungsquantum mithilfe des umgekehrten inneren Photoeffekts – dem Prinzip, das LEDs zum Leuchten bringt. Dafür lernt ihr zunächst die physikalischen Hintergründe kennen, baut dann eure eigene Messstation auf und programmiert sie. Schließlich sammelt ihr Messdaten und wertet sie aus, um das Planck’sche Wirkungsquantum, eine fundamentale Naturkonstante, selbst zu bestimmen.

Suche nach Elementarteilchen am LHC

Was ist das Higgsteilchen, und wie sieht man es in einem Teilchendetektor? Warum suchen wir nach neuen Elementarteilchen? Was sind Feynman-Diagramme, und wie lassen sich damit Teilchenreaktionen erklären?

In diesem Projekt werdet Ihr mit den Grundlagen der Teilchenphysik vertraut gemacht. Ihr lernt, wie man Elementarteilchen anhand ihrer Spuren in einem Detektor unterscheiden kann, warum man Millionen von Teilchenkollisionen braucht, um auf die Existenz eines neuen Teilchens zu schließen, und wie man komplizierte theoretische Formeln durch sehr einfache und intuitive Grafiken darstellen kann.

All das erarbeitet Ihr Euch anhand von echten Daten des Large Hadron Collider (LHC). Ihr werdet die Spuren von Teilchen analysieren und tief in die Datenmengen der Experimente am LHC eintauchen, um diese systematisch zu durchforsten.