AWT: Jan-Ole und Florian am Cern

Bericht für die Auricher Wissenschaftstage – CERN
Wir, Jan-Ole-Brants und Florian Prietze, hatten die Möglichkeit im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage in den Herbstferien vom 17.10.22 bis zum 28.10.22 ein Praktikum am Cern zu absolvieren. Am Sonntag den 16. Oktober sind wir am Bremer Flughafen gestartet und mit Zwischenstopp in Frankfurt gegen 22 Uhr in Genf gelandet, wo unsere Ansprechpartnerin und Koordinatorin vor Ort, Frau Kühn, bereits auf uns gewartet hat und mit uns zum Cern-Gelände fuhr.
Untergebracht wurden wir schließlich im Cern-Hostel direkt auf dem Gelände. Der nächste Tag, also Montag der 17.10, wurde größtenteils dazu verwendet Organisatorisches zu besprechen und Unterlagen zu sammeln. So erhielten wir unsere Cern-ID-Karten, Log-In-Daten für das Cern-Netzwerk und schlossen einen Sicherheitskurs ab, der nötig war, um ein Strahlendosimeter zu erhalten. Dieses Dosimeter war im weiteren Praktikumsverlauf wichtig, da wir mit radioaktiv bestrahlten Samples arbeiteten. Zudem weihte uns Frau Kühn in das ATLAS-Projekt ein, welches nicht nur den Bereich ihrer Arbeit darstellte, sondern darüber hinaus unsere Aufgabe im Praktikumsverlauf einen Teilbereich des ATLAS-Projektes abdecken sollte. ATLAS ist ein enormer Teilchendetektor am Teilchenbeschleuniger am Kernforschungszentrum Cern. Dabei werden sich die unterschiedlichen Massen verschiedener Elementarteilchen zu Nutze gemacht, um die Bewegung einzelner Teilchen nach der Teilchenkollidierung nachvollziehen zu können und diese Teilchen zu messen. ATLAS war beispielsweise mitverantwortlich für die Entdeckung des
Hicks-Bosons, einem Meilenstein in der Kernphysik. Nachdem wir die notwendigen Unterlagen erhalten haben, erhielten wir eine kurze Einführung in die Arbeit mit Arduino UNO und experimentierten mit einem Starter- Kit. Ein Arduino ist eine Physical-Computing-Plattform, also eine Art Rechner, der Physikalisches mit dem Bereich der Informatik verbindet, indem beispielsweise Ein- und Ausgänge eines Stromflusses über einen angeschlossenen PC gesteuert und physikalische Prozesse programmiert werden können. Mit einem Arduino kann auf reale physikalische Komponenten zugegriffen werden und somit besteht die Möglichkeit größere Datenmengen zu sammeln, die keiner Notierung von Hand benötigen. Oder eben ist die Physical-Computing-Plattform in der Lage, Steuerungen vorzunehmen, wodurch keine Bedienung von Hand nötig ist. Es war also möglich, einfache Stromkreise zu bauen und diese mit einfachen Codes zu steuern. So kann beispielsweise in Abbildung 2 und 3 der Stromkreis einer Lampe beobachtet werden, deren An- und Ausschalten wir über den angeschlossenen PC programmierten.

Abb1: Cern-ID-Karte
Da unser Betreuer Florian Haslbeck erst am Mittwochabend zurück nach Genf kam,
sollten wir uns bis dahin eigenständig mit der Arbeit mit Arduino UNO vertraut
machen, da wir in unserem Projekt mit einer ähnlichen Komponente arbeiten sollten,
einem Rasperry Pi, dessen Aufbau in etwa einem Arduino entspricht. Eine
Darszellung eines Rasperry Pis ist in Abbildung 6 weiter unten in diesem Bericht zu
sehen. Die Unterschiede zwischen Arduino und Rasperry Pi seien für unser Projekt
ohne Belangen, weshalb uns keine weiteren Einzelheiten diesbezüglich bekannt sind.
Abseits der rein optischen Unterschiede, ermögliche ein Rasperry Pi komplexere
Programmierungen; da uns die verwendeten Codes jedoch größtenteils von unserem
Betreuer zur Verfügung gestellt wurden, können wir hier keinen direkten Vergleich
zwischen Arduino und Rasperry Pi ziehen.
Am Dienstag durften wir zudem einem Experiment beiwohnen, bei dem mithilfe
eines Arduino Luftfeuchtigkeit und Temperatur in einer „Kältebox“ gemessen
wurden; die gemessenen Daten waren dabei jedoch rein zu Vorstellungszwecken, um
uns die vielzähligen Anwendungsbereiche eines Arduino bzw. Rasperry Pis zeigen zu
können. Luftfeuchtigkeit und Temperatur wurden uns dabei auf dem PC angezeigt,
wie in Abbildung 4 zu sehen ist und diese Daten konnten wir mit den Einstellungen
an der „Kältebox“ vergleichen, um so die Effizienz eines Arduino beurteilen zu
können.
Unser Ergebnis war, dass eine effiziente Messung von Temperatur und
Luftfeuchtigkeit mit einem Arduino erfolgen kann, da die angezeigten Daten bis auf
kleine Abweichungen relativ genau wiedergaben, was an Temperatur und
Luftfeuchtigkeit im Vorfeld eingestellt wurde.
Unser Projekt, an dem wir mit unserem Betreuer Florian Haslbeck arbeiten durften,
war Teil des ATLAS-Projektes am Cern.
Wie bereits weiter oben in diesem Bericht erklärt, handelt es sich bei ATLAS um
einen riesigen Teilchendetektor, bei dem die Teilchen detektiert werden können, die
im LHC(Large Hardron Collider), also dem Teilchenbeschleuniger, kollidieren.
Unterschiedliche Teilchenattribute wie Gewicht und die Möglichkeit, in einem
elektrischen Feld abgelenkt zu werden, bedingen unterschiedliche Bahnrichtungen
innerhalb verschiedener Messkomponenten des ATLAS und ermöglichen so, dass

Abb2: Arduino UNO Abb3: Arduino UNO

Abb. 4: Messung von
Luftfeuchtigkeit und Temperatur
verschiedene Teilchen detektiert und Daten zu deren Eigenschaften, wie
beispielsweise Geschwindigkeit und Masse, erhoben werden können.
Unsere Projektaufgabe beschäftigte sich nun mit dem Bereich der Sicherheit, genauer
in der Untersuchung von Technologie zur Wassererkennung. Bei dieser Technologie
handelt es sich um dünnes Nanofaserpapier, dessen Widerstand sich bei Kontakt mit
Wasser ändert. Da der ATLAS aus sehr teuren und aufwendig konstruierten Geräten
besteht, wäre ein Eindringen von Wasser in die Messapparaturen fatal für die
Forschungseinrichtung, demnach stellt eine frühzeitige Detektion von Wasser ein
wichtiges Kernelement im Bereich der Sicherheit dar.
Allgemein ist uns aufgefallen, dass viele verschiedene Forschungsbereiche am Cern
eine Rolle spielen. Eine Gruppe von Ingenieuren beschäftigt sich beispielsweise mit
der Entwicklung effizienterer Beschleunigungsapparaturen, andere Physiker arbeiten
daran, Messungen effizienter zu gestalten und Datenmengen einzusparen, ohne dabei
jedoch wichtige Daten zu verlieren, und wieder andere beschäftigen sich eben mit
dem Bereich der Sicherheit. So viele weitere Forschungen arbeiten am Cern Hand in
Hand, so existiert beispielsweise ein eigenes Antimaterie-Labor; doch die Aufzählung
aller Teilbereiche würde nun den Rahmen dieses Berichtes sprengen, weshalb wir den
Fokus wieder auf unser Projekt lenken wollen.
Bei der Nutzung von Nanofaserpapier handelt es sich um eine effizientere und
kostengünstigere Wasserdetektionstechnologie als die bisherige Nutzung sperriger
Kabel. Unter anderem war unser Betreuer Florian Haslbeck an der Erforschung des
Nanofaserpapiers als Detektionstechnologie beteiligt, um so eine kostengünstigere
Alternative bereit stellen zu können.
Bevor das Nanofaserpapier jedoch zur Wasserdetektion eingesetzt werden darf,
müssen einige Untersuchungen vorgenommen werden, beispielsweise die
Untersuchung, ob sich der Detektionsmechanismus verändert, wenn das
Nanofaserpapier mit radioaktiver Strahlung in Kontakt kommt.
Diese Untersuchung war Teil unserer Forschungsarbeit am Cern.
Wir sollten verschiedene Messungen vornehmen und untersuchen, wie sich der
Widerstand des Zellpapiers ändert, wenn ein Wasserkontakt vorliegt.
Die Messungen haben wir sowohl mit dem unveränderten Papier als auch mit
solchem durchgeführt, das radioaktiver Strahlung ausgesetzt war.
Verschiedene Papiergrößen und Wassermengen kamen hierbei zum Einsatz und
mithilfe eines Rasperry Pis haben wir den Widerstand des Nanofaserpapiers
gemessen und diese Messdaten auf einen angeschlossenen Computer übertragen.
Die Messung lief dabei immer ähnlich ab; über den Rasperry Pi wurde die Messung

Abb. 5: Samples mit Wassertropfen Abb. 6: Rasperry Pi
gestartet und der Widerstand wurde die gesamte Zeitdauer über gemessen, sowie
dessen Daten an den PC übermittelt. Nach einer gewissen Zeit, die je nach Messung
unterschiedlich ausfiel, fügten wir einige Tropfen Wasser zu den Samples hinzu und
warteten dann darauf, dass das Papier trocknete; der Rasperry Pi fuhr dabei
kontinuierlich fort, den Widerstand zu messen und die Messdaten an den PC zu
übermitteln.
Über verschiedene Codes griffen wir auf die Daten zu und erstellten damit
verschiedene Grafiken, wie beispielsweise in Abbildung 7 und 8 zu sehen.
In der Zeit zwischen den Messungen konnten wir uns mit anderen
kleineren Aufgaben beschäftigen, beispielsweise dem Löten erforderlicher
Kabel, die dazu verwendet wurden, weitere Samples mit dem Rasperry Pi
zu verbinden, damit mehrere Messungen gleichzeitig ablaufen konnten.
Wie in den Abbildungen zu sehen, besonders gut in Abbildung 8, steigt der
Widerstand des Nanofaserpapiers bei Kontakt mit Wasser an, und sinkt anschließend
in der Phase des Trocknens wieder auf den ursprünglichen Wert herab. Unsere
Messungen haben keine signifikanten Unterschiede zwischen dem unveränderten
Nanofaserpapier und dem Papier , das radioaktiver Strahlung ausgesetzt war, ergeben.
Lediglich der Endwert nach dem Trocknen schien ein klein wenig höher zu sein als
der Ausgangswert des Widerstandes, um konkretere Rückschlüsse ziehen zu können,
fehlen uns jedoch umfangreichere empirische Daten.
In der letzten Woche stellten wir unser Projekt einem Team an Physikern vor, die am
ATLAS mitwirken, und zeigten im Zuge einer kleinen Präsentation die bisher
erstellten Diagramme. Die Frage eines Teammitglieds, ob sich die radioaktiv
bestrahlten Samples anders verhalten würden als das unveränderte Nanofaserpapier,
mussten wir leider unbeantwortet lassen, da die Auswertung der Daten hierzu erst
nach der Präsentation erfolgte.
Am Freitag vor Abreise erhielten wir dann noch eine Führung übers komplette Cern
Gelände und durften noch einmal in die Welt der Kernphysik, wie sie am LHC in
Genf betrieben wird, hinein schnuppern. So wurde uns beispielsweise das
Antimaterie-Labor gezeigt, in welchem unter anderem Antiwasserstoff und
Positronen erzeugt werden, wir erhielten einen Einblick in verschiedene Testhallen
und uns wurde das Datenzentrum des Cerns gezeigt. Besonders gefallen hat uns der
Blick ins Kontrollzentrum des ATLAS, eine Besichtigung von ATLAS selbst konnte
jedoch aufgrund von stattfindenden Messungen nicht vorgenommen werden.

Abb. 9: Ole und Florian beim Löten

Abb. 8: WiderstandsgraphenAbb. 7: Widerstandsgraphen
Uns hat das Praktikum sehr gefallen und wir danken sowohl dem Cern, hierbei
besonders Susanne Kühn und Florian Haslbeck, als auch den Auricher
Wissenschaftstagen für diese großartige Möglichkeit, in die Arbeitswelt eines
Physikers einzutauchen und unser physikalisches Wissen praxisnah erweitern zu
können.