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Aktuelle Forschung in der Schule, gar in den Aufgaben der Abiturprüfung? Die diesjährigen Abiturprüfungen in Frankreich hatten einen kompletten Prüfungsteil zum Higgs-Teilchen, drei Seiten lang.
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Der Prüfungsteil beginnt auf der oben abgebildeten ersten Seite mit zwei Zitaten zur Bedeutung des Higgs-Teilchens und einer kurzen Erklärung der Funktionsweise des LHC, auf der nächsten Seite folgen dann noch Angaben zu Geschwindigkeit und Energie der Teilchen im LHC. Daran schließen sich dann 4 Aufgaben an, eine zum Inhalt der Zitate und drei (mehr oder weniger) Rechenaufgaben.

Ich übersetze mal die Zitate und die Aufgaben.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons ist für die Geschichte des menschlichen Denkens genauso wichtig wie das Newtonsche Gravitationsgesetz”, begeistert sich Carlo Rovelli vom Zentrum für Theoretische Physik Marseille-Luminy. Newtons Theorie hatte seinerzeit die Position des Neptun vorhergesagt, bevor die Astronomen ihn direkt beobachteten. Die Entdeckung des Higgs-Bosons bedeutet den Triumph des sogenannten “Standardmodell” der Physik, das seit einigen Jahrzehnten die kleinsten Details der Welt vorhergesagt hat und das in diesen letzten hundert Jahren von den größten Wissenschaftlern mit Leidenschaft ausgearbeitet worden ist. Dank dem Higgs (wie es Physiker vertraut nennen) öffnen sich Wege, auf denen man die Textur der Raum-Zeit erkunden oder in die ersten Momente des Universums eintauchen kann. […] Das Higgs-
Boson ist ein Teilchen, das in einer sehr fernen Vergangenheit des Universums vorhanden war, um die 10-10s nach dem Urknall, als die Temperatur um die 1015 ° C war. Es konnte am CERN “gesehen” warden, weil man dort im Herzen des LHC solche Energien erreicht, dass die damals herrschenden Bedingungen wiederhergestellt werden.

(Witzigerweise bestreitet der Autor des ersten der beiden Zitate, diese Sätze jemals gesagt zu haben: «Je n’ai jamais pensé une phrase tellement stupide»)

Das Standardmodell schafft es alle bekannten Elementarteilchen und die Art ihrer Wechselwirkung zu beschreiben. Aber unser Verständnis der Natur ist unvollständig. Insbesondere beantwortet das Standardmodell eine einfache Frage nicht: warum haben die moisten Elementarteilchen eine Masse? Die Physiker Peter Higgs, Robert Brout und François Englert haben eine Lösung für dieses Rätsel vorgeschlagen. Ihre Theorie ist, dass kurz nach dem Urknall kein Teilchen eine Masse hatte. Als das Universum sich abkühlte und die Temperatur unter eine kritische Schwelle fiel, entstand gleichzeitig mit dem Higgs-Boson ein zu ihm assoziiertes “Higgs-Feld” genanntes Kraftfeld. Die Interaktion mit diesem überall im Kosmos verbreiteten Feld ermöglicht den Elementarteilchen, durch das Higgs-Boson eine Masse zu erwerben. Je mehr die Elementarteilchen mit dem Higgs-Feld intergaieren, desto schwerer werden sie. Dagegen besitzen diejenigen Elementarteilchen, die nicht mit diesem Feld interagieren, keinerlei Masse.

In der ersten Aufgabe geht es um das Verstehen der Zitate:
1.1. Wie ermöglicht es die Beobachtung des Higgs-Bosons, die Theorie des Standardmodells zu vervollständigen?
1.2 In welche Periode des Universums führt uns die Beobachtung des Higgs-Bosons?

Danach kommen die Rechenaufgaben (denen im Original jeweils noch Erläterungen vorangestellt werden):
2.1. Wenn die Geschwindigkeit v eines Protons gegen die Lichtgeschwindigkeit strebt, gegen welchen Grenzwert strebt seine kinetische Energie?
2.2. Überprüfen Sie die Angaben zur kinetischen Energie Ec eines Protons im LHC-Guide.
2.3. Die Gesamtenergie eines Protons Etotale ist die Summe seiner kinetischen Energie und seiner Ruhemasseenergie. Geben sie die Gesamtenergie eines Protons an. Überprüfen Sie numerisch, dass die Gesamtenergie der Protonen im LHC im wesentlichen gleich ihrer kinetischen Energie ist.
3.1. Überprüfen Sie, dass die Kollisionsenergie zwischen zwei mit voller Energie in entgegengesetzte Richtungen gestarteten Protonen Ecollision = 14,0 TeV ist.
3.2. Jedes Proton maximaler Geschwindigkeit hat eine Gesamtenergie von 7,00 TeV. Vergleichen Sie die Energie der gleichzeitig im LHC zirkulierenden Protonen mit der kinetischen Energie eines mit maximaler Geschwindigkeit fahrenden TGV. Kommentieren Sie das Ergebnis.
4.1. In welchem Bezugssystem ist die Lebensdauer eines B-Mesons definiert?
4.2. Im Galileischen Bezugssystem mißt der VELO-Detektor eine durchschnittliche Entfernung des B-Mesonen von d = 1,0 cm vor seinem Verschwinden. Nehmen wir an, dass das B-Meson sich mit einer Geschwindigkeit praktisch gleich c bewegt. Berechnen Sie die Lebensdauer \Delta T des B-Mesons in diesem Bezugssystem. Zeigen Sie, dass die gemachte Annahme gerechtfertigt ist.

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Kommentare (7)

  1. #1 Havok
    26. Juli 2014

    Hast du zufällig die Lösung für Aufgabe 3.2 zur Hand? Würde mich mal interessieren.

  2. #2 Thilo
    26. Juli 2014

    Die Losungen sind auf http://www.youscribe.com/catalogue/tous/education/corrige-bac-2014-serie-s-physique-chimie-obligatoire-et-2459824

    Erstaunlicherweise hat der TGV 6mal so viel Energie wie die Gesamtheit aller Protonen im LHC. Der Punkt (so wird es in der Losung erklart) ist, dass es im LHC nicht auf die Gesamtenergie, sondern auf die Energiedichte ankommt.

  3. #3 rolak
    26. Juli 2014

    moin Havok, falls mich der heilige Adam Riese nicht im Stich läßt: Im LHC rotieren 2800 Pakete á 1e10 Protonen á 7TeV, macht 2800 * 1e10 * 7e12 eV =1.96e26 eV oder 3.14e7 J (für das pi kann ich nix), der Thalys-TGV wiegt 385t und erreicht 320km/h oder eine kinetische Energie von 3.85e5kg * 7.9e3 m²/s² oder ca 3e9 J, also pi mal Daumen zwei Größenordnungen mehr.

  4. #4 rolak
    26. Juli 2014

    Womit die Lösungen um lässig eine Größenordnung differieren :-)

  5. #5 rolak
    26. Juli 2014

    differieren

    Nee, sind wohl doch gleich – unter Berücksichtgung des Umstandes, daß gewisse Simpel zu dicht nach dem Wachwerden anscheinend 100Millarden zu 1e10 statt 1e11 umformatieren…

  6. #6 Paul
    Potsdam
    29. Juli 2014

    Der gelogene Nobelpreis

    Es gilt als verbürgt das sich die Erde nicht nur um die Sonne sondern auch um sich selbst bewegt
    Monde, Sterne und ganze Galaxien sollen ein ähnliches Verhalten an den Tag legen.
    Wenn aber das Große ein Abbild des Kleinen ist und umgekehrt, so stellt sich für mich die Frage weshalb gerade ein energiearmes Teilchen mit nur einer Bewegungsrichtung zu Gottes liebsten Teilchen werden konnte.
    Allerdings ergeben sich ja noch mehr Ungereimtheiten, welche sich nach einem Vortrag von Prof. Naumann vom Atlasprojekt auftaten.
    Nach eigenen Aussagen wurde nur 10% der Daten überhaupt ausgewertet, was ja nur zu einer Wahrscheinlichkeit von 10% führt.
    Wenn ich davon ausgehe dass etwa 50% der Teilchen rotieren, welche somit auch rausfallen sinkt die Möglichkeit für einen positiven Treffer auf 5% was sich stark in Richtung unwahrscheinlich bewegt.
    „Der Ehrgeiz ist die letzte Zuflucht des Versagers“ (Oskar Wilde) könnte eine Erklärung sein.
    Manchmal kann man etwas nicht finden, weil es dafür keine Notwendigkeit gibt, auch wenn wir es nicht verstehen.
    Das Higgsteilchen soll ja auch der Beweis dafür sein das es „Dunkle Materie“ gibt neben den anderen Sachen die wir glauben damit erklären zu können.
    Irritierend finde ich es aber wenn man sich dann hinter Einstein versteckt, welchen man offensichtlich nicht versteht.
    Eine der entscheidenden Aussagen von Einstein ist hierbei:“E=mc² ist nicht für ein dreidimensionales System geeignet.“
    Was man auch leicht daran erkennen kann das auf der rechten Seite nur 2 Multiplikatoren stehen.
    Hierbei wird oft der Fehler c² als c*c und somit als zwei Multiplikatoren zu interpretieren, obwohl die Potenz nur eine Aussage über den Anteil am Gesamtenergiekonzept von c trifft.
    Der Unterschied zwischen einem 3D Objekt und einem 3D System ist eher gering benötigt aber in jedem Fall 3 Multiplikatoren.
    Bei einem Objekt sind es Länge, Höhe und Breite während das Äquivalent Masse (m) Beschleunigung (c) und die Rotation (c1).
    Somit kommen wir dann zur dynamischen Energieentwicklung oder Ed=mc²c1² und zu einer Überraschung beim Thema Energie.
    Unter Einbeziehung der Rotation erhalten wir z.B. für das Gesamtenergiekonzept der Erde einen zusätzlichen Multiplikator von 640.000 sofern die Äquatorgeschwindigkeit noch immer bei 1.600 km/h liegt und die Grundlagen der Physik sich nicht geändert haben.
    Was für ein Versager muss man sein um sich an einem Toten (Einstein) und einem über Achtzigjährigen zu vergreifen (Higgs) nur damit wenn die Wahrheit rauskommt man sich rausreden kann, nach dem Motto, es war ja nicht unsere Idee und wir haben es für richtig gehalten
    Nur nicht den eigenen Kopf benutzen dann kann man dafür auch nicht zu Rechenschaft gezogen werden.
    „Die Aufgabe der Wissenschaft, ist das sie Wissen schafft.“ (Autor unbekannt)
    Bei der Behandlungen der Themen habe ich allerdings oft den Eindruck, dass es nicht um Wissen sondern um einen Religionskrieg geht, bei dem nicht das Wissen im Vordergrund steht, sonder es darum geht wer seinen Schwachsinn besser verkaufen kann.
    Nach der DM Theorie fehlen uns 95% der Energie da ja die Beschleunigung (c) ja durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist.
    Mathematisch wäre 5/95=1/19 was bedeuten wir bräuchten etwa die 20 fache Energiemenge um das Universum am Laufen zu halten, was dem Universum aber mit der Rotation anscheinend viel besser gelingt wie uns mit der Dunklen Materie welche Niemand finden kann und für die es ja anscheinend nicht mal mathematische Notwendigkeit gibt, da das Universum eleganter, klüger und effektiver arbeitet.
    Ohne Einbeziehung der Schwerkraft erhalten für unsere kleine Erde einen Multiplikator von 640.000, was uns zu der Frage führt wie viel Energieüberschuss erzeugen größere Planeten Sonnen und Monde oder schwarze Löcher die sich ja auch alle drehen und welche Folgen hat der Energieüberschuss?
    Wenn man davon ausgeht das der Raum selbst eine Energieform der Dritten Ordnung ist wird Vieles verständlicher, bis hin zur beschleunigten Expansion des Universums.
    Falls jetzt Jemand denkt, ich wäre nur ein durch geknallter DM Hasser so stellen Sie sich folgenden Frage: Wenn 5% genügen um so etwas Gewaltiges wie die Sterne, die Planeten und unsere Erde zu schaffen, weshalb sollen sich 95% völlig anders verhalten?
    In der Schule haben wir gelernt das große Energiemengen ein masseähnliches Verhalten zeigen.
    Aber obwohl wir fast 20mal mehr Energie haben, bildet sich auf der Dunklen Seite der Macht kein Stern, kein Planet, nicht mal Staub?
    Auch ohne dass ich ein Profi für Wahrscheinlichkeitsberechnung bin würde ich dies als Möglichkeit ausschließen.
    Manchmal ist die einfachste Erklärung dafür dass man etwas nicht findet, einfach der Tatsache geschuldet, dass es dafür keine Notwendigkeit gibt.
    Wer Schwierigkeiten mit diesem Thema hat dem möchte ich ein Satz von Prof. Nauman (LHC/Atlas) mit auf den Weg geben „Wenn wir Äpfel in eine Presse geben wird kein vernünftiger Mensch etwas anderes wie Apfelsaft erwarten. Wenn wir also irgendwo Energie rein geben weshalb soll es da anders sein?“
    Viele von den Sachen die man euch einreden will sind weniger kompliziert wie man vermutet und egal welche akademischen Grad Dein Gegenüberhat die meisten Sachen lassen sich mit klassischer Physik erklären oder ausschließen.
    Wie die Nummer mit dem Schwarzen Loch, wo der Irrtum schon mit der Namensgebung beginnt.
    Ein Schwarzes Loch ist kein Loch sondern der Rest eines Sterns, der da es Masse hat natürlich auch kein Durchgang zu parallelen Universen sein kann.
    Die treffendste Bezeichnung wäre eine dunkle Sonne welche ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht was auch leicht nachvollziehbar ist wenn man den Physikunterricht nicht verschlafen hat.
    Am einfachsten stellt man sich eine Atombombe im Schnellkochtopf vor, die durch die enorme Gravitation und Rotation zusammengehalten wird, welche sozusagen den Topf bilden.
    Die Gammabursts an den Polen ist das was man die Sicherheitsventile nennen würde, da hier sozusagen als energieärmste Punkte die einzige Austrittsmöglichkeit für Überschussenergie ist.
    Entgegen weitreichender Vermutungen ist es kein Alles verschlingender Molloch sondern ein ausgewogenes Energiekonzept, welches sich sogar berechnen lässt, sofern man Einstein etwas versteht.
    Ein weiterer Irrtum ist ja das es zwar für die Geschwindigkeit eine Grenze gibt, aber nicht für Masse, denn nichts bewegt sich schneller wie das Licht, doch genau diese Einschränkung führt auch zur Begrenzung der Masse.
    Masse erzeugt Gravitation, welche sich über die Fallgeschwindigkeit darstellt.
    Gilt also Fallgeschwindigkeit<Lichtgeschwindigkeit haben wir auch eine natürliche Grenze für die Gravitation und die daraus resultierende Masse.
    Dies führt zur Formel für die Schwerkraftsysteme oder Es=mc²c1²g² was zu einem weiteren Multiplikator führt oder der Frage: Was ist Zeit? Und was war vor dem Urknall? Zeit?
    Da es ja anscheinend für alles natürliche Grenzen gibt könnte dies auch für die Zeit als eine Energie der vierten Ordnung, denn das Raum entsteht wenn Zeit vergeht scheint ja eine Tatsache zu sein auch wenn wir den Zusammenhang noch nicht ganz verstehen.
    Falls Zeit eine Energieform ist und nicht nur einfach vergeht, so ergeben sich natürlich Fragen und Möglichkeiten, denn nach Einstein ist die Zeit zwar relativ was aber nicht heißt das sie keiner Ordnung unterworfen ist, wie die Energie oder der Raum.
    Wir unterscheiden nach Masse als Energie der 1.Ornung denn sie hat nur eine Wirkrichtung.
    Beschleunigung und Rotation sind Energie der 2.Ordnung, haben zwei Wirkrichtungen und sind immer an Masse gebunden.
    Raum ist Energie der 3.Ordnung deren Erzeugung zu mindestens an drei Wirkrichtungen gebunden ist.
    Bei vier Multiplikatoren wären wir rein theoretisch bei der Zeit selbst als physikalische Größe/Faktor.
    Im schönen Heidelberg überlegen ein paar Jungs um Prof. Wetterich ob das mit Urknall wirklich so war, oder eventuell eine natürliche Eigenschaft der Zeit ist und Zeit in untergeordnete Energieformen zerfallen kann oder auf eine andere Form in das Konzept einzuordnen ist.
    Das würde nicht nur die Urknalltheorie in Frage stellen, sondern völlig neue Überlegungen erfordern, denn wenn Zeit auch nur eine Energieform ist, so lässt sich leicht das Problem mit der Geschwindigkeit erklären, denn die bisherigen Antriebe sind zweidimensional (Eine Masse und eine Bewegungsrichtung) und deshalb für die Überwindung von Raum ungeeignet.
    In jedem Fall würde es meinen Überlegungen entgegenkommen, denn Zeit braucht im Gegenteil zur Geschwindigkeit oder Raum keine Masse und könnte somit unabhängig von Raum und sogar Gott existieren, was zumindest die Frage nach dem davor erklären würde.
    Allerding dürfen wir dann die Theorien über Big Bang und Big Rip auch beerdigen und das Universum ist deutlich älter wie wir sehen können und auch wenn wir drauf gehen ist das für das Universum unwichtig, wie für alle Unsterblichen, welche keinen Gedanken über das Danach verschwenden, weil es nicht existiert.
    Falls jetzt ein übriggebliebener Stringtheoretiker Morgenluft wittert, so möchte ich noch mal daran erinnern, das Prof Harald Lesch und Prof. Michio Kaku nicht an den 10^34 Lösungsmöglichkeiten gescheitert sind sondern an der Tatsache das eine Funktion aus Masse, Energie und Information besteht und nichts davon sich eindimensional speichern lässt und auch wenn das mit der Schwingung eine hübsche Idee ist weiß ja Jeder wie Schwingungen übertragen werden.
    Für alle Geschwindigkeitsfanatiker welche traurig sind das wir unsere kosmischen Nachbarn nie kennenlernen werden, habe ich zum Abschluss noch einen Trost, da es eine Ausnahme von der Regel: „nichts bewegt sich schneller wie das Licht.“ gibt, denn es gibt kein Tempolimit für den menschlichen Geist und eventuell eine Erklärung für die Ufos welche eventuell nur die bildliche Darstellung einer geistigen Reise sind und sich deshalb auch nicht immer an die Physik halten.
    Das wir nicht Allein sind sollte klar sein und wer neugierig ist muss auch Humor haben, damit er nicht an den Irrtümern die den Weg zur Erkenntnis pflastern verzweifelt und auch wenn wir diese geistige Reife nicht mehr erreichen werden sollte es uns doch optimistisch stimmen.
    Also bleibt neugierig und verliert nicht eure gute Laune.

    Mit freundlichem Gruß
    Ralf Paul

  7. #7 rolak
    30. Juli 2014

    wow – museumsreif! Dürfen wie ob des prophetischen Inhaltes schließen, daß Du der Bruder von der berühmten Krake bist, Ralf?