Εκπαιδευτική Αξιοποίηση του CERN στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση Ράπτη Μαρία Φυσικός - Πληροφορικός Δρ Καλαθάκη Μαρία Σχολική Σύμβουλος ΦΕ Δυτικής Κρήτης
To CERN («Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών») είναι το μεγαλύτερο σε έκταση (πειραματικό) κέντρο πυρηνικών ερευνών και ειδικότερα επί της σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο. Βρίσκεται δυτικά της Γενεύης, στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας. Ιδρύθηκε το 1954 από 12 ευρωπαϊκές χώρες
To CERN σε αριθμούς ~2300 προσωπικό ~1000 υπότροφοι και πρόσεδρα μέλη >11 000 επιστημονικοί συνεργάτες Πρoϋπολογισμός (2013) ~1000 MCHF Κράτη - Μέλη: Αυστρία, Βέλγιο, Βουλγαρία, Γαλλία, Γερμανία, Δανία, Ελβετία, Ελλάδα, Ηνωμένο Βασίλειο, Ισπανία, Ιταλία, Νορβηγία, Ολλανδία, Ουγγαρία, Πολωνία, Πορτογαλία, Σλοβακία, Σουηδία, Τσεχία, Φινλανδία Υποψήφια Χώρα για Ένταξη σε Προχωρημένο Στάδιο - Ρουμανία Υποψήφιες Χώρες για Ένταξη Κύπρος (εν αναμονή κύρωσης), Σλοβενία, Τουρκία (Βραζιλία, Ουκρανία, Πακιστάν, Ρωσία) Νέο καθεστώς των Συνδεδεμένων Μελών Ισραήλ, Σερβία Παρατηρητές στο Συμβούλιο: Ηνωμένες Πολιτείες, Ιαπωνία, Ινδία, Ρωσία, Τουρκία, Ευρωπαϊκή Επιτροπή, UNESCO
Μεγάλα και Αναπάντητα Ερωτήματα Ποια είναι η προέλευση της μάζας? Γιατί δεν υπάρχει ισοδύναμη αντιύλη? Τι είναι η αθέατη ή σκοτεινή ύλη; Ενώνονται όλες οι δυνάμεις μαζί; Υπάρχει Υπερσυμμετρία? Υπάρχει το σωματίδιο higgs?
Η Εξέλιξη του Σύμπαντος Μεγάλη Έκρηξη 13.8 Δισ. Χρόνια 10 28 cm Σήμερα
Διαστάσεις της Σωματιδιακής Φυσικής ~ 10-15 m
Οι Δομικοί Λίθοι της Ύλης συν τα σωματίδια της αντιύλης
Οι Δομικοί Λίθοι της Ύλης
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC Το CERN κατασκεύασε τον μεγαλύτερο και τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, τον LHC (Μεγάλος Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων Large Hadron Collider = LHC). Kύριοι Στόχοι: Προέλευση της μάζας Φύση της Σκοτεινής Ύλης Αρχέγονη μάζα ύλης Ύλη εναντίον αντιύλης
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC Ο LHC αποτελείται από 1238 υπεραγώγιμα δίπολα βάρους 35 τόνων έκαστο. P=10-13 atm, T=1.9K, B=8T 3.000πακέταΣωματιδίων/ δέσμη 100δισεκατομμύριαΣωματιδίων/ πακέτο. ΜΟΝΟ 20 περίπου συγκρούσεις ανάμεσα στα 200 δισεκατομμύρια σωματίδια. Tα πακέτα διασταυρώνονται 30.000.000φορές /sec 600 εκατομμύρια συγκρούσεις/sec
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC Ο επιταχυντής λοιπόν: Επιταχύνει πρωτόνια σε ταχύτητες ~ 300.000 km/sec. Τα συγκρούει. Από τη σύγκρουση δημιουργούνται άλλα σωματίδια...
E=mc2
Πώς βλέπουμε τα σωματίδια; Η βασική ιδέα λειτουργίας των ανιχνευτών σωματιδίων επεξηγείται στο παρακάτω παράδειγμα: Ένα αόρατο λεωφορείο προκαλεί μια σειρά από καταστροφές κατά το πέρασμά του μέσα από ένα χωριό. Οι ένοικοι των κατεστραμμένων σπιτιών τρέχουν στο πλησιέστερο τηλέφωνο για να ειδοποιήσουν την αστυνομία. Η αστυνομία καταγράφει τη θέση και τον χρόνο των κλήσεων. Από το χρόνο που μεσολάβησε μέχρι να γίνουν τα τηλεφωνήματα και από τη θέση των τηλεφώνων γίνεται ο εντοπισμός των καταστροφών και ανασυντίθεται η πορεία του λεωφορείου και υπολογίζουμε την ταχύτητά του και το μέγεθός του.
Δομή Ανιχνευτή 1) Συγκέντρωση ενέργειας στα σωματίδια (επιταχυντής) Ανιχνευτής Επιταχυνόμενα Σωματίδια 2) Σύγκρουση σωματιδίων (δημιουργία συνθηκών ανάλογων του Big Bang) 3) Αναγνώριση παραγόμενων σωματιδίων από τον Ανιχνευτή (έρευνα για νέα φαινόμενα) Υπάρχουν αρκετά ομόκεντρα επίπεδα στον ανιχνευτή. Κάθε επίπεδο Εξυπηρετεί διαφορετικό σκοπό: 1. Tracking 2. Καλορίμετρο 3. Ταυτοποίηση σωματιδίου: ξεχωρίζονται οι διάφοροι τύποι των σωματιδίων, πιόνια από πρωτόνια από καόνια, κλπ.
CMS 39 κράτη, 190 ινστιτούτα 3200 επιστήμονες, 800 φοιτητές
ATLAS 38 κράτη, 174 ινστιτούτα 2000 επιστήμονες, 1000 φοιτητές
GRID Τα πειράματα στον επιταχυντή LHC παράγουν ένα τεράστιο ποσό πληροφορίας. Κάθε χρόνο, η αποθήκευση των δεδομένων σε CD θα σχημάτιζε μια στοίβα ύψους 20km. Balloon (30 km) CD stack with 1 year LHC data! (~ 20 km) Το CERN αναπτύσσει μια καινούργια δικτυακή τεχνολογία που λέγεται GRID. Αυτή θα συνδέσει δεκάδες χιλιάδες υπολογιστές ανά τον κόσμο με στόχο τη δημιουργία ενός παγκόσμιου υπολογιστικού δυναμικού για τα πειράματα του LHC. Concorde (15 km) Κάθε ΗΥ του δικτύου GRID θα μπορεί να χρησιμοποιήσει ανά πάσα στιγμή: τους επεξεργαστές CPU, τους σκληρούς δίσκους, την μνήμη RAM κάθε άλλου ΗΥ του δικτύου Mt. Blanc (4.8 km)
Διεπιστημονική προσφορά Το CERN στο οποίο αναπτύσσεται το «Πείραμα» έχει προσφέρει ήδη στην Ανθρωπότητα πολλά «δώρα» που αποτελούν «παράπλευρες ωφέλειες» των θεωρητικών του ερευνών. Το Παγκόσμιο δίκτυο (WWW). To GRID. Νοσοκομειακοί Επιταχυντές, Αξονικοί τομογράφοι και Σύγχρονες Διατάξεις που χρησιμοποιεί η Ιατρική Επιστήμη. Ήδη χρησιμοποιούνται επιταχυντές Πρωτονίων για αποτελεσματική αντιμετώπιση καρκινικών όγκων. Η τεχνολογία των επιταχυντών σωματιδίων βοηθά σε πολλές ακόμη περιπτώσεις όπως στην αποκωδικοποίηση της δομής των ιών, στην αποικοδόμηση μακρόβιων πυρηνικών αποβλήτων σε αβλαβή υλικά κλπ
Σκοπιμότητα των Προγραμμάτων για καθηγητές να φέρει την επιστημονική έρευνα κοντά στα σχολεία κλασικό μοντέλο εκπαίδευσης Έρευνα Πανεπιστήμιο Καθηγητής σχολείου Μαθητές σύγχρονο μοντέλο εκπαίδευσης
Αναζητώντας πολλαπλασιαστικούς παράγοντες x 1000 καθηγητής μαθητές
Αξιοποίηση στη Δ/θμια Εκ/ση οι τιμές των φυσικών μεγεθών (στο CERN επιτυγχάνεται το 99.99% του c o, της μέγιστης ταχύτητας στη φύση που είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό c o, η μικρότερη θερμοκρασία του σύμπαντος είναι 3Κ, στο CERN επιτυγχάνεται θερμοκρασία 2Κ, στο CERN έχουμε τη μέγιστη ένταση μαγνητικού πεδίου που έχουμε δημιουργήσει εργαστηριακά, 8Τ, και τη χαμηλότερη πίεση, 10-13 atm) η δομή της ύλης, η Αρχή Διατήρησης της Ορμής, η Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας και η ισοδυναμία μάζας ενέργειας οι ακτινοβολίες ως μέσο διερεύνησης της ύλης αλλά και εργαλείο ιατρικών εφαρμογών
Αξιοποίηση στη Δ/θμια Εκ/ση Η απλή και μόνον παράθεση - παρουσίαση όλων αυτών που διαδραματίζονται στο CERN, αποτελεί αναμφίβολα ερέθισμα σε «εκκολαπτόμενους» νέους επιστήμονες να ασχοληθούν με τις φυσικές επιστήμες και αναδείξουν το ταλέντο τους αλλά και κίνητρο σε όσους δεν έχουν ανακαλύψει ακόμα τη μαγεία της επιστήμης. Το πλούσιο υλικό που παρέχεται από το CERN, μπορεί να μεταφερθεί επιλεκτικά μέσω σύντομων παρουσιάσεων στους μαθητές και να αποτελέσει πηγή πληθώρας θεμάτων για περαιτέρω διερεύνηση, στα πλαίσια των ερευνητικών εργασιών που μπορούν αυτοί να επιλέξουν. Έτσι οι μαθητές θα εμπλακούν με ένα επιστημονικό ερώτημα, γεγονός ή φαινόμενο, θα συλλέξουν αποδείξεις από παρατηρήσεις και εξετάζοντας ιδέες μέσω των παρατηρήσεων τους, θα αποσαφηνίσουν έννοιες και ερμηνείες.
Βιβλιογραφία Αρχεία των Δρ.Τσεσμελή, Δρ.Γαζή, κ.storr, κ.αλεξόπουλου, κ.ζιώγα, κ.αντωνιάδη http://indico.cern.ch/ conferencedisplay.py?confid=269114 LHC στο CERN: Η μεγαλύτερη μηχανή του κόσμου, Αναστασόπουλος Πασχάλης http://www.physics.ntua.gr/greece_and_cern/index.html http://hep.physics.uoc.gr/doc/outreach/microcosm/de TECTORS/whatiscern.html http://www.physics.ntua.gr/popphys/index.html http://hypatia.iasa.gr/el/exercise.html http://www.learningwithatlas-portal.eu/el/repository (βιβλιοθήκη του Learning with ATLAS@CERN που περιέχει εκπαιδευτικό υλικό )