Dienstag - 2. April 2019

„Jugend forscht“: Physik

Wie bekommen Straßen Sixpacks? Experimentelle Untersuchung von Rippeln im Sand

v.l.: Simon Raschke, Anton Fehnker - Gymnasium St. Mauritz, Münster
Auf vielen Straßen, vorwiegend solchen, die mit Granulat befestigt sind, zum Beispiel Schotterstraßen, kann man ein Rippelmuster erkennen, das durch das wiederholte Vorbeifahren von Autos entsteht. Dieses synergetische Phänomen haben wir in einem rotationssymmetrischen Versuchsaufbau untersucht. Ein Rad rollt mit konstanter Geschwindigkeit in einer kreisförmigen Bewegung frei über eine anfänglich ebene Sandoberfläche. Nach einigen Umläufen bildet sich das typische Rippelmuster, wie es auch auf Straßen zu beobachten ist. Um die Strukturen zu erfassen, haben wir Sensoren und eine technische Auswertung installiert. Mithilfe dieser konnten wir Zusammenhänge zwischen Geschwindigkeit und Masse des Rades und Wellenlänge und Amplitude der Rippel untersuchen. Außerdem haben wir das Muster mathematisch modelliert um die gemessenen Zusammenhänge besser einordnen zu können.


Von der Micky-Maus-Stimme zum Detektor - Untersuchung von Helium-Nachweismöglichkeiten

Julian Scharr - Gymnasium Zitadelle Jülich
Die Micky-Maus-Stimme beim Einatmen von Helium kennt wahrscheinlich jeder - ist die damit verbundene Frequenzänderung aber vielleicht sogar als Grundprinzip einer einfachen und kostengünstigen Detektion von Helium geeignet?
Ein solcher Detektor wäre für Forschungseinrichtungen und Betriebe von großem Nutzen, um bereits Spuren von austretendem Helium detektieren zu können.
In der Arbeit werden verschiedene Ansätze hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit zur Konstruktion eines Helium-Detektors untersucht. Sie werden dafür in Hinblick auf ihre Robustheit, Quantifizierbarkeit, Kompaktheit, Kosten und die Einsetzbarkeit unter MRT-Bedingungen bewertet. Die aussichtsreichsten Ansätze sollen zudem als Prototypen mit praktischen Tests untersucht werden.


Grundlagen der Holografie und praktische Herstellung eines Hologramms

Jasmin Sommer - -Gymnasium St. Xaver, Bad Driburg
In meinem Projekt 'Grundlagen der Holografie und praktische Herstellung eines Hologramms' möchte ich mich mit den theoretischen Grundlagen zum Thema Holografie befassen und mithilfe eines geeigneten Versuchsaufbaus eigene Hologramme herstellen. Außerdem möchte ich untersuchen, wie man die gegebenen Bedingungen verändern muss, um das bestmögliche Hologramm herstellen zu können.


Langzeitmessung von Myonenzerfällen als Basis für einen nichtdeterministischen Zufallszahlengenerator

Hannah Belle Neuwirth - Gymnasium Wolbeck, Münster
Am 12.07.2018 wurde veröffentlicht, dass am 22.09.2017 zum ersten Mal mit Hilfe des IceCube-Detektors am Südpol die Herkunft hochenergetischer Neutrinos bestimmt wurde. Diese Neuigkeit inspirierte mich zu meinem Jugend forscht Projekt im Bereich der Astroteilchenphysik.
Zunächst erarbeite ich die theoretischen Grundlagen zur kosmischen Strahlung insbesondere der Entstehung von sekundären Myonen sowie deren Zerfälle. Anschließend beschreibe ich den Aufbau des CosMO-Experiments zum Detektieren von Myonenzerfällen. Im praktischen Teil des Projekts führe ich eine über mehrere Tage andauernde Langzeitmessung durch. Dabei werden die im Detektor zerfallenden Myonen erfasst. Die Zerfallszeiten der Myonen werden von dem Programm „muonic“ ausgewiesen. Dies ermöglicht die Berechnung der mittleren Lebensdauer. Des Weiteren untersuche ich die Anwendungsmöglichkeit der gemessenen Zerfallszeiten als Basis für einen nichtdeterministischen Zufallszahlengenerator. In dem von mir entwickelten Programm werden auf Anforderung Zufallszahlen für Münzwürfe und Würfe eines achtseitigen Würfels generiert, damit ein Spieler gegen den Computer antreten kann.


Neuronale Netze auf der Suche nach dunkler Materie

Carolin Kohl - Paul-Klee-Gymnasium, Overath
Ziel des Projektes ist die Abschätzung des Potentials eines Multilayer-Perceptrons (MLP), ein Typ Neuronalen Netzwerks, als Klassifikationsmethode der vom CAST Experiment genommenen Daten in Signalereignisse (physikalisch interessant) und Untergrundereignisse (im Experiment nicht von Interesse). Das zugrunde liegende CAST-Experiment am CERN in Genf sucht nach möglichen Kandidaten für dunkle Materie und will diese indirekt in Anwesenheit eines starken Magnetfeldes über deren Umwandlung in Röntgenphotonen detektieren. Dieses Projekt entstand im Rahmen der „Projektwochen für Jugendliche am CERN 2018“ während einer zweiwöchigen Mitarbeit in der dortigen Arbeitsgruppe um das CAST-Experiment.
In einer bereits bestehenden Arbeit wurde ein Vergleich verschiedener Netzwerktypen – MLPs eingeschlossen -zur Datenauswertung vorgenommen. Im Unterschied zu dieser bereits existierenden Arbeit sollen nun die Optimierungsmöglichkeiten eines MLPs zur Datenklassifikation ausgelotet werden. Die zwischenzeitlich erfolgte Änderungen des Detektoraufbaus, der Datenauslese und die Neuberechnung der für das Training des Netzwerks verwendeten Parameter aus den ausgelesenen Daten ist ein weiterer Grund für die erneute Betrachtung dieser Methode zur Datenklassifikation.
Folglich stellt die Abschätzung der zu erreichenden günstigsten Signaleffizienz, also dem Verhältnis von Signalsignifikanz (Signalempfindlichkeit) zu Untergrundunterdrückung die Fragestellung der Arbeit dar. Anhand dieses Verhältnisses ist zu entschieden, ob dieser Ansatz zur Datenauswertung weiterverfolgt werden kann und sollte.
Nach dem Programmieren des Netzwerkes wurden verschiedene Parameter wie die Learning Rate, die Zusammensetzung der Input-Daten, die Anzahl und Größe der Hidden-Layer sowie die Aktivierungs- und Loss-Funktion als auch die Anzahl der Trainingsepochen variiert und deren Einfluss auf die Leistung des Netzwerks anhand selbst programmierter Anwendungen zur graphischen Analyse beurteilt. Hierzu wurden Histogramme, ROC-Curves und Darstellungen der Accuracy bzw. der Werte der Loss-Funktion in Abhängigkeit der bereits durchlaufenen Trainingsepochen verwendet. Bei der günstigsten gefundenen Kombination dieser Parameter wurde eine maximale Accuracy von etwas über 92% und eine Signaleffizienz von etwa 91% bei einer Untergrundunterdrückung von etwa 85% erreicht.
Diese erzielten Ergebnisse stellen eine vielversprechende Grundlage für weitere Entwicklung und Weiterverfolgung dieses Ansatzes dar. Verbesserungen der Leistung des Netzwerkes sind beispielsweise durch die Implementierung einer exponentiell abfallenden Learning Rate im Verlauf des Trainings zu erwarten, sodass eine Umsetzung zur letztendlichen Datenanalyse der gesamten experimentellen Daten späterer Messphasen in Erwägung gezogen werden kann.


Modell eines Rasterkraftmikroskops

Jan Linder - Luise-von-Duesberg-Gymnasium, Kempen
Ich erstelle mithilfe eines Arduinos ein Modell eines Rasterkraftmikroskopes, welches die Funktionsweise des Originals so gut wie möglich nachbildet, dazu werden verschiedene Sensoren und Motoren genutzt. Abschließend sollen Modell und Original noch miteinander verglichen werden.


Das Peltier-Element - Funktionsweise und Kühlen einer Diffusionsnebelkammer

Maximilian Lukas Kerker - Maria-Wächtler-Gymnasium, Essen

Kann man Diffusionsnebelkammern praktisch und unkompliziert in Schulen zu Versuchszwecken zugänglich machen?
In meinem Projekt soll erarbeitet werden, auf welche Weise Peltier-Elemente (kleine, elektrische Wärmepumpen) funktionieren, und ob man mit ihnen eine Diffusionsnebelkammer betreiben kann. Dazu müssten Temperaturen zwischen 243,15K und 223,15K erreicht werden.
Vorerst soll die Arbeit die Funktionsweise der Elemente und den Peltier-Effekt, dem die Elemente zugrunde liegen, genauer erläutern. Eine Reihe von Experimenten soll daraufhin zeigen, wie sich Peltier-Elemente praktisch verhalten, und wie man sie effektiv zum Kühlen einsetzten kann. Letztlich soll die Ausgangsfrage bewertet werden, ob eine Kühlung einer Diffusionsnebelkammer mit Peltier-Elementen möglich wäre. Dies würde den Einsatz von Nebelkammern in Schulen zur Demonstration fundamentaler Prozesse der Teilchenphysik möglich machen.

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