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.
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
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