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Andi erklärt seine Diplomarbeit und nebenbei Teilchenphysik

Achtung! Dieser Beitrag reduziert manchmal auf schmerzvolle Weise, denn er ist auch für Leute gedacht, die keine Ahnung von Physik haben.
Über vier Jahre ist es her, als ich damals hier in Aachen mein Physikstudium startete. We’ve come a long way since. Samt mittelschwerer Prüfungen, schwerer Prüfungen und Prüfungen, von denen ich niemals geglaubt hätte, dass ich sie bestehen würde.
Nachdem ich alle notwenigen Diplomprüfungen im Spätsommer erledigt hatte, fing am 26. Oktober das (vor-)1 letzte Kapitel des Studiums an.
Die Diplomarbeit.

Falls euch die folgende Einleitung nervt, der Erklärteil zu unphysikalisch ist und auch das genaue Thema meiner Arbeit sowas von 1999 ist und ihr lieber direkt zur Adresse meines Diplomblogs springen wollt: Rechts das Inhaltsverzeichnis ist klickbar!

Entscheidungsfindung

Alles begann damit, dass ich mich zwischen so einigem entscheiden musste. Welche Vertiefungsrichtung? Experimentell oder theoretisch? Welches Institut? Welches Forschungsgebiet, welches Experiment, welche Arbeitsgruppe? Welches Thema?

Ein paar der Fragen waren einfach beantwortet.
Auch wenn ich theoretische Physik faszinierend finde – wir sind nie so recht mit einander warm geworen. Ich wollte also experimentell forschen.
Bei der Vertiefungsrichtung habe ich mich für die Elementarteilchen entschieden. Die andere Richtung hier in Aachen, Festkörperphysik, beschäftigt sich mit dem Verhalten von Kristallen und forscht zum Beispiel an Datenspeichern und alles, was irgendwie »Nano« im Namen trägt. Das ist sicherlich auch interessant und hat große praktische Bedeutung, erst recht mit dem vor zwei Jahren nobelpreis-ierten Forschungszentrum Jülich im Rücken. Aber das Grundlegende, das Vordringen in unbekanntes Terrain mit all den in den nächsten Monaten und Jahren zu erwartenden Meilensteinen in der Teilchenphysik hat mich schnell diese Richtung wählen lassen. (Kurzer Exkurs: Teilchenphysik beschäftigt sich mit der Physik auf subatomarer Skala. Ein Atom ist u.a. aus Protonen aufgebaut. Protonen u.a. aus Up- und Down-Quarks. Letztere sind typische Vertreter der Teilchenphysik.)
Weitesgehend wegen persönlicher Präferenzen2 bin ich schließlich im Top-Quark-Bereich einer Arbeitsgruppe am CMS-Experiment hier in Aachen gelandet.

Das Thema

Zum Erklären des Krams, über den ich die Diplomarbeit schreiben werde, möchte ich das Thema mal auseinander pflücken. Et voila…
»Massenbestimmung des Top-Quarks anhand der Zerfallslängen von B-Hadronen im CMS-Experiment«

Teilchenphysik 101

Starten wir ganz simpel, schließlich richtet sich der Beitrag alles andere als an Physiker.


Photo by JohnJobby on flickr.

Ihr kennt das CERN in Genf? Das, wo immer schwarze Löcher und Antimaterie und Sex und so? Lässt man mal den Quatsch außen vor, dann ist das CERN ein Physik-Forschungszentrum in der Schweiz. Das größte der Welt. Mehr als 10.000 Menschen arbeiten entweder direkt vor Ort (ca. ein Drittel) oder an den angeschlossenen Instituten und Universitäten in der Welt verstreut. Dieses Jahr ist dort (endlich) der LHC gestartet.
LHC. Der Large Hadron Collider ist ein Teilchenbeschleuniger. Das heißt: er beschleunigt Teilchen. Das können Elektronen, oder wie im Fall des LHCs Protonen sein. Durch abgefahrene Technik werden die Protonen in einen 27 Kilometer langen Ring eingeschleust und durch noch abgefahrenere Technik (Magnete und so) im Ring angeschubst. Dadurch werden die Protonen immer weiter beschleunigt, bis sie schließlich fast Lichtgeschwindigkeit erreicht haben. Teilchen beschleunigt. Teilchenbeschleuniger. Das ganze macht man jetzt parallel in einem zweiten Ring in die andere Richtung. Beschleunigt auch dieses Proton auf fast Lichtgeschwindigkeit. Irgendwann, wenn alle Kaffeetassen voll und alle Valiums geschluckt sind, dann stellt die Wissenschaftler die Weichen um und lassen diese beiden gegenläufigen Strahlen kollidieren.
Dies geschieht an so genannten Interaction Points. Das ist Englisch. Und heißt Wechselwirkungspunkt. Die beiden Protonen wechselwirken. Sie besitzen so hohe Energien, wie man sie in der Natur eigentlich nicht mehr antrifft. Das führt dazu, dass sie kurzzeitig mit einander verschmelzen. Dabei bilden sie andere, etwas exotischere Teilchen aus die wegen der hohen involvierten Energie auch hohe Massen haben können3.

Eines dieser Teilchen ist das Top-Quark. Quark. Quark. Kann man gar nicht oft genug sagen. Quarks sind nichts aus Science Fiction, Quarks sind real. So wie Protonen, Neutronen und Elektronen eine Stufe kleiner als Atome sind, könnte man sagen, sind Quarks eine Stufe kleiner als Protonen und Neutronen. Quarks sind eine Art der Teilchen, die es gibt, wenn man zu kleineren Längenskalen geht, also die Nanometer der Festkörperphysik (weit) hinter sich lässt. Das Proton besteht aus Up- und Down-Quarks. Das waren auch die ersten Quarks, die man damals gefunden hatte – wegen ihrer vergleichsweise geringen Masse. Mittlerweile ist man da weiter und eines der letzten gefunden Quarks ist das Top-Quark. Das ist äußerst schwer4 und damit eher schwer5 zu produzieren. Mit dem LHC hat man aber erstmals genug Energie zur Verfügung um Top-Quarks mit einer hohen Rate zu erzeugen.
Bei den obigen Interaction Points hat man den unterirdischen Tunnel des LHCs in Höhlen vergrößert und hat Experimente um sie gebaut.

Particles' days out at CERN

Eines dieser Experimente ist das CMS. Der Compact Muon Solenoid ist ein State-of-the-Art-, ach was, ein Statest-of-the-Artest-Experiment das wie eine Zwiebel um das Protonenrohr und den Interaction Point gebaut wurde. Jede Schicht der Zwiebel wurde irgendwo auf der Welt dafür entwickelt, um eine ganz bestimmte Art von Teilchen nachzuweisen. Alles furchtbar komplexe und furchtbar interessante Technik, die es in dieser Expertise noch nie vorher gab6. In Aachen wurden Teile des innteresten Detektors, des sogenannten Trackers, und Teile des äußersten Detektors, der Myonenkammern gebaut.

Wenn sich nun zwei Protonen im Zentrum dieses Experiments treffen, gerade weder Kaffee, noch Kekse oder Pinguine dabei haben, sondern sich dazu entschließen, zu kollidieren, dann ist das so, als würden zwei Autos aufeinander Rasen. Bei der Kollisionen fliegen Autoteile als Splitter nach außen weg7. Die Splitter und Splitter der Splitter werden dann von den einzelnen Zwiebelschalen detektiert, abgespeichert und in ein weltweites Datennetz verteilt.

Einige dieser Splitter sind obige Top-Quarks und ich beschäftigte mit ihnen.

Der Inhalt meiner Diplomarbeit


Adaptiert von einem ähnlichen Bild in der Wikipedia8.
Ohne darauf einzugehen, warum das so ist: Top-Quarks treten meist in Paaren auf und zerfallen sehr fix in ein b-, wie Bottom-Quark9. Dabei wird ein W-Boson ausgesandt, das wiederum in Elektron und Neutrino10 zerfällt. Obiges b-Quark macht fetzige Dinge, die Teilchenphysiker als Hadronisieren beschreiben. Das ist nichts anderes, als dass es sich aus dem umliegenden Energiefeld Partner erzeugt und mit ihnen Bindungen, sogenannte B-Hadronen ausbildet. Das passiert immer wieder, so dass sich ein Strahl voll Hadronen ausbildet, den man Jet nennt.
Wie beim Zerfall radioaktiver Isotope können die letzten Produkte dieser »Zerfallskette«, also Jets, Elektronen und indirekt Neutrinos, durch die Zwiebelschalen von CMS nachgewiesen werden.

Vor zwei Jahren haben sich schlaue Menschen eine Methode ausgedacht, wie man anhand dieser Endprodukte Informationen über das alles startende Top-Quark gewinnen kann. Denn das Top-Quark an sich bleibt für alle direkten Messmethoden unsichtbar und man muss den Prozess sozusagen reverse engineeren, also von hinten aufrollen.
Dazu schaut man sich die Länge an, die B-Hadronen im Mittel brauchen, bis sie zerfallen. Diese Länge hängt direkt mit der Masse des Top-Quarks zusammen, denn hat das Top-Quark eine große Masse, dann gibt diese größere Masse dem B-Hadron mehr Energie mit auf den Weg und es zerfällt über eine längere Strecke (es ist »schneller«); hat es eine kleinere Masse, ist die Zerfallslänge kleiner.
Messe Zerfallslängen, wende etwas Theorie an und schon gibt’s die Masse des Top-Quarks, die dabei losgelöst von bisherigen Ergebnissen sind, die immer eine spezifische Unsicherheit aufgrund der Messmethode hatten.

Und diese neue Technik wende ich auf die Daten von CMS an.

Das klingt doch spannend, oder?
Zwar werde ich nicht die ersten »echten« Daten des LHCs benutzen können, die wir Anfang/Mitte nächsten Jahres erwarten, sondern nur auf den simulierten Daten meine Analyse laufen lassen – aber auch so klingt das Thema interessant.

andiplom – Mein Diplomarbeitsblog

In den letzten zwei Monaten habe ich mich in die eigenwillige Software eingearbeitet, die extra für das Experiment programmiert wurde. Gar nicht so leicht. Aber so langsam habe ich genug wissen, um das Programmieren an der Analyse zu beginnen.

Auf meinen Babyschritten begleite ich mich selbst beim Versuch eines digitalen Diplomtagebuchs. Unter andiplom.posterous.com schicke ich jeden Tag einen kleinen Statusbericht samt Bild ins Universum.
Mal schauen, ob ich das auch die nächsten 220 Tage durchhalte.

Noch Fragen?

  1. Das wohl eigentlich letzte Kapitel ist die Diplomprüfung über die Vertiefungsrichtung meiner Diplomarbeit, die im Anschluss an diese folgt… []
  2. Ich hatte die Leute schon kennengelernt und für nett befunden. []
  3. Einstein hat das mal gesagt. E gleich m mal c-quadrat. Hat zwar nur rudimentär damit zu tun, aber ist letztendlich dann doch der Grund dafür. []
  4. im Sinne von: massiv []
  5. im Sinne von: aufwändig []
  6. Superlative sind übrigens im CERN-Sprachgebrauch ein Muss. Habe das damals bei der Anmeldung unterschreiben müssen. Nein. Scherz. []
  7. Der Vergleich hinkt ein bisschen, denn die Splitter sind im Protonfall kein direkter Teil des Protons gewesen, sondern werden erst durch die vorhandene Energie der Kollision in Splitter umgewandelt… []
  8. Habe semileptonisch in dileptonisch umgewandelt… []
  9. Indirekt gab’s für die Theorie, die das erklärt, letztes Jahr den Nobelpreis… []
  10. Genauer gesagt: Es zerfällt in ein Lepton-Antilepton-Paar, da sind neben Elektronen noch Myonen und Taus. []

Seminararbeit: Web & Grid

Es geht nicht um Weihnachten, nicht um’s Ende des Jahres, nicht um Mac oder um TV-Serien. Unglaublich. Es geht um mein Studium.
Entgegen meiner eigenen Meinung, die ich fast sieben Semester gehabt habe, muss man als angehender Weltversteher, -veränderer und -herrscher, kurzum: als Physiker doch mal mehr tun als Übungen machen, Prüfungen ablegen und hin- und wieder an Praktika teilnehmen. Man muss bei uns in Aachen nämlich tatsächlich ein Seminar halten.
Bei uns heißt das: 35-minütige Präsentation und max. 20-Seiten-lange Ausarbeitung über ein zugeteiltes Thema.

Mein Thema war „Web & Grid — Wie weltweite Forschungskooperation ermöglicht wird“. Es hatte also eher entfernt etwas mit Physik zu tun. Der Vortrag fand unter dem Seminarthema „Mikroskopie des Universums, von großen und kleinen Teilchenbeschleunigern“ statt, in der Elementarteilchenphysik natürlich.
Und eben diese Elementarteilchenphysik ist es auch, die erst das Web hervorgebracht hat und jetzt einen Schritt weiter geht, in dem es mit dem WLCG1 das wahrscheinlich größte Rechnernetz der Welt verbindet.
Im Moment sind ca. 100.000 CPUs bei ca. 100 Petabyte Speichervolumen verfügbar. Tendenz rapide steigend. Ganz schön viel also.

Wer sich für mein Thema undoder meine Ausarbeitung interessiert, et voila: Die Ausarbeitung als PDF und der Vollständigkeit halber auch meine Slides2, die allerdings unerklärt nur beschränkt verständlich sind3. Logisch.

Das Dokument wurde, so wie es sich gehört, mit LaTeX4 gesetzt — Fragen dazu gerne in die Kommentare.

  1. Worldwide LHC Computing Grid []
  2. Ich benutze ja auch nur ungern den Anglizismus, aber für Slides gibt es einfach immer noch keine richtige Übersetzung. []
  3. Außer die letzte Seite. []
  4. LaTeX ist übrigens sehr toll. Erst frustriert es ziemlich, dann ist’s ok und schließlich macht’s unglaublich Spaß.
    Man schreibt und schreibt und schließlich bekommt man ein Dokument raus, was per se erstmal professionell aussieht. Viel falsch machen kann man nicht. Und dann darf man, wie zur Hochzeit der Adventures, immer kleine Quests lösen: Ich hätte gerne unter subsubsection noch zwei Ebenen, von der allerdings nur die oberste nummeriert ist. Kein Problem. Kniffel- und Googlei, aber kein Problem. Und wenn man das geschafft hat, dann macht’s Spaß! []

Von vierten Semestern, Physikprüfungen und zeitgerafften Lernwänden

Fast ein Monat war wieder einmal Stille in diesem Blog. Was kann das um die Jahreszeit heißen? Andi war auf einer Weltreise und hat in ausgedienten Nuklearatollen nach Eisen gesucht? Andi hat im Botanischen Garten Aachen neue Pflanzenarten und Maikäfer gesucht? Andi hat Demokratie nach Nordkorea gebracht? Andi hat die gaußsche Glockenkurve integriert?

Nein, viel besser: Andi hat wieder mal gelernt.

No pinboardS at all: Physics

Denn, bekanntermaßen ist „Vorlesungsfreiezeit“ für Physikstudenten in Aachen synonym mit „lernen“. Neben den regulär angesetzten Klausuren musste ich noch zwei Altlast-Klausuren nachholen. Eine 2/3-Bestehensquote war auch ein ganz guter Schnitt. Zwar noch nicht so gut, als dass ich in Regelstudienzeit (JETZT) mein Vordiplom hätte, aber dem ist dann nach diesem Semester mit Sicherheit so. Ich kann hoffentlich trotzdem regulär weiter mit dem Studium machen.

Darüber hinaus gab es dieses Jahr kein Praktikum (der ein oder andere treue Leser erinnert sich vielleicht noch an unsere mittlerweile legendär gewordenen Videos), sondern eine total crazige mündliche Prüfung in Experimentalphysik über die Semester 1 bis 4. Mechanik, Relativitätstheorie, Wärmelehre, E-Lehre, Optik und Quanten sollten hoch und runter gelernt werden. Leider die ganze Zeit ohne eine Ahnung, was der Professor in der Prüfung abfragen könnte. Andi (ich!) hat sich nämlich am ersten Prüfungstag die dritte Prüfung und damit die Dritte des Professors überhaupt gesichert. Schlau von ihm.

So hat sich in einem Endspurt, bei dem selbst Achill alt (!) ausgesehen hätte, mein Zimmer in ein großes Formel- und Wissensarchiv verwandelt. Jede Wand wurde von mir mit Zetteln behängt, die dann belernt wurden. Wie das Aufhängen aussah, das habe ich mit der tollen Zeitrafferfunktion meiner noch tolleren neuen Kamera (don’t ask about the old one) aufgenommen, zusammengepappt, musikalisch unterlegt und hochgeladen. Das eine Minute lange Video gibt’s weiter unten nach dem Klick. Wie die Wände, die Freunde übrigens mit den opferbehangenen Kammern von Serienkillern verglichen, in ihrer vollen Pracht aussahen habe ich rechts illustriert (Klicken macht’s größer!). (Und auch vom Abhängen gibt’s ein Video, was allerdings NOCH langweiliger als das Video des Aufhängens ist.)
Das Dauerlernen lohnte sich (wenn auch nur begrenzt, lieber hätte ich etwas anderes lernen sollen — aber, hey, nachher ist man immer schlauer). Denn es sprang eine okaye 2,7 dabei heraus, die zwar für die Verhältnisse sonst bei der Prüfung nicht so toll war (90% der restlichen Noten befinden sich im 1er-Bereich), die aber für mich völlig in Ordnung geht.

Jetzt freue ich mich ein wenig auf den Semesteranfang nummero fünf. 6 to go.
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