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„Alles besteht aus kleinsten Grundbausteinen“, so wird es seit der Antike gelehrt. Zu Zeiten Leukipps nannte man jene kleinsten Bausteine des Universums erstmals Atome. Atom ist abgeleitet vom griechischen „átomos“ und bedeutet unteilbar. Später fand man heraus,dass Atome doch teilbar sind und wiederum aus kleineren Teilchen bestehen - Protonen, Neutronen und Elektronen.
Heute wissen wir, dass es noch viel mehr und viel kleinere Bausteine gibt.
Mit der Lehre dieser kleinsten Teilchen des Universums, den Elementarteilchen, setzt sich die Teilchenphysik auseinander. Und auch Schüler der Kursstufe 1 des Helmholtz-Gymnasiums beschäftigen sich momentan im Seminarkurs Teilchenphysik explizit mit diesem Thema.
So auch mit der Frage, wie man die Eigenschaften der Elementarteilchen misst:

Das Problem ist nicht die technische Unfähigkeit, sondern die Zeit.

Elementarteilchen findet man überall, auf der Erde sowie auf anderen Planeten. Und auch im Raum dazwischen, im scheinbaren „Nichts“, rasen sie mit unglaublicher Geschwindigkeit durch das All.
Doch genau diese enorme Geschwindigkeit bereitet Wissenschaftlern Kopfzerbrechen.
Woher kommt die Energie, mit der sich beispielsweise ein Proton durch das Weltall bewegt?
Um diese Frage zu beantworten, muss man die Teilchen messen. Ihre Geschwindigkeit, ihre Richtung, ihre Energie.
Die nötigen Detektoren für solche Messungen gibt es, doch wollte man einen Detektor mit einem Satelliten in den Erdorbit schießen, stünde man schnell vor einem Problem:
Denn mit steigender Energie nähme die Reaktionshäufigkeit der Teilchen im Detektor rapide ab.
Hätte der Detektor eine Fläche von einem Quadratmeter, so würde ein Teilchen des niederen Energiespektrums möglicherweise einmal die Stunde durch das Messgerät fliegen. Doch mit steigender Energie der Teilchen käme es zu Reaktionen, die einmal am Tag, einmal die Woche, einmal im Jahr, einmal in 100 Jahren, und so weiter, stattfinden würden. Das Problem ist nicht die technische Unfähigkeit, sondern die Zeit.
Doch gibt es eine zweite Möglichkeit, die Wissenschaftler ausersonnen haben, um diese „hochenergetische kosmische Strahlung“ effektiv und sinnvoll zu messen.

Wenn die Teilchen in die Atmosphäre eintreten, prallen sie gegen die Atome unserer Luft und zerfallen. Aus der ehemaligen Primärstrahlung entsteht Sekundärstrahlung, die mit Voranschreiten in die tiefer gelegenem Gegenden der Atmosphäre immer wieder zerfällt, abstrahlt und sich somit auf eine große Ebene auffächert.
Diese „Kaskade“ von Sekundärteilchen nutzen die Wissenschaftler. Indem sie ganze Detektoren-Felder aufstellen, können sie den Verlauf der Sekundärteilchen durch die Atmosphäre mathematisch zurückverfolgen und die ursprüngliche Energie des Primärteilchen berechnen.

Eines der ersten dieser Detektoren-Felder steht auf dem Campus Nord des KIT, dem Karlsruhe Institut of Technology.
Das „Kaskade – Grande“-Projekt wird möglicherweise bald still gelegt, doch gab die Universität dem Seminarkurs „Teilchenphysik“ Ende Dezember 2011 noch einmal die Möglichkeit, praktische Erfahrung zu sammeln und lud die Schüler auf einen Besuch ein.
Neben einer Führung über das Detektoren-Feld durften die Jugendlichen selbst Instrumente und Programme zur Messung von Myonen ausprobieren.
Und am Ende war man sich einig, dass es schade sei, das Detektoren-Feld außer Betrieb zu nehmen.

Aber auch wenn das „Kaskade-Grande“-Projekt bald zu Ende ist, so steht die Wissenschaft immer noch ganz am Anfang wenn es um die großen Geheimnisse des Kosmos geht.

Julian Eschenröder
(Schüler der Kursstufe 1, 2011/2012)

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Inhalte Unterricht Seminarkurse Besuch des Kaskade-Grande-Projektes am KIT im Rahmen des Seminarkurses Teilchenphysik