Die starke Wechselwirkung: Einschluss von Teilchen in Mesonen

Die starke Wechselwirkung ist eine der uns bekannten vier Kräfte und bestimmt die Interaktion zwischen allen Teilchen welche eine Farbladung enthalten, den sogenannten Quarks. Diese Elementarteilchen wurden bislang nie als einzelnes Teilchen beobachtet sondern lediglich in farbneutralen Verbünden was als Confinement (engl. Einschluss) bezeichnet wird. Das bedeutet, das die Kombination von zwei oder drei Quarks immer eine Farbladung ergeben muss die analog zur Farbenlehre Weiß ergibt. Möglich sind die Kombination von drei Farben oder von drei Antifarben oder einer Farbe und deren Antifarbe. Teilchen welche aus zwei Quarks mit jeweils einer Farbe und deren zugehöriger Antifarbe zusammengesetzt sind nennt man Mesonen. Der Grund für das Confinement ist die besondere Eigenschaft der starken Wechselwirkung, dass die Kraft zwischen zwei Teilchen mit zunehmendem Abstand grösser wird! Wir wollen das physikalische Phänomen des Confinements anhand eines einfachen, interaktiven Ausstellungsobjekt demonstrieren. Auf einem Bildschirm wird der schematische Aufbau eins Mesons gezeigt und erklärt. Mittels eines Schiebers kann der Besucher die beiden Quarks auseinanderziehen wobei er die zunehmende rückstellende Kraft deutlich spürt. Auf dem Bildschirm wird der sich zwischen den Quarks bildende Gluonenschlauch dargestellt. Ab einer bestimmten Entfernung zwischen den Quarks bricht die rückstellende Kraft ab, was am Bildschirm durch das Erscheinen von zwei weiteren Quarks dargestellt wird die mit den bereits vorhanden beiden Teilchen jeweils zwei farbneutrale Mesonen bilden. Die Animationen auf dem Bildschirm werden von Erklärungen zu den physkalischen Phänomenen begleitet und es lassen sich interaktiv durch Verwendung des Touchscreens auch weiterführende Informationen aufrufen. Das Ausstellungsobjekt wird primär der ab 2014 neu startende Wanderausstellung Wechselwirkung - Wirkungswechsel des ScienceCenter-Netzwerkes (SCN) zur Verfügung gestellt um die Zielgruppe möglichst gut zu erreichen. Unsere Hauptzielgruppe ist übereinstimmend mit dem SCN Kinder und Jugendliche im Schulalter sowie deren Lehrer aber auch interessierte Erwachsene. Zwischen den Ausstellungsterminen sowie nach Beendigung der Ausstellungsreihe wird das Exhibit auf Veranstaltungen des Instituts für Hochenergiephysik weiterverwendet.

Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle in allen Disziplinen der Wissenschaft aber auch im alltäglichen Leben. Die interaktive Wissenschaftsausstellung Wirkungswechsel des ScienceCenter-Netzwerks will diese Wechselwirkungen dem Besucher anschaulich darstellen. Das Exponat Starke Paare, welches im Rahmen dieses FWF Projektes entwickelt wurde, möchte die sogenannte Starke Wechselwirkung begreiflich machen. Gemeinsam mit zwei weiteren Exponaten der Ausstellung stellt es drei der vier uns bekannten fundamentalen Wechselwirkungen dar. Der solide elektro-mechanische Aufbau des Exponats ermöglichte den Besuchern die starke Kraft also solches wahrzunehmen, denn es muss eine signifikante Kraft aufgewendet werden um die beiden Hebel, bzw. die beiden Quarks des Mesons, voneinander zu trennen. Dies erweckt primär das Interesse der Besucher und den Ehrgeiz es auch zu schaffen. Die Animation am Bildschirm ändert sich jedoch in jeder Phase und bietet entsprechende begleitende Information an. Dies regt an, sich näher mit dem Exponat zu befassen und jede der Phasen lange genug zu halten, um die in ihr enthaltene Information zu lesen und den Bezug zur Animation zu verstehen. Diese spielerische Herangehensweise fügt unser Exponat gut in eine Ausstellung mit interaktivem Hands-On Charakter ein. Ein weiterer Lerneffekt wird durch die Möglichkeit, zusätzliche Informationen zur Teilchenphysik abzurufen, erzielt. Eine uns wichtige Eigenschaft bei der Entwicklung des Exponats war die einfache Erweiterbarkeit der Informationen. Bereits vor der ersten Ausstellung konnten Animationsablauf, Grafiken und Informationen sehr einfach optimiert werden. Im weiteren Verlauf der Lebensdauer des Exponates ist geplant, alle Aspekte weiter zu optimieren bzw. die Informationen zu aktualisieren und zu erweitern. Auch der Bau von weiteren Exponaten mit gleichen oder ähnlichen Inhalten sollte sehr einfach über die Beauftragung der Firma Hüttinger möglich sein. Ebenfalls ins Auge gefasst wurde die Möglichkeit, die am Bildschirm angezeigten Animationen und Informationen auf einem handelsüblichen low-cost PC darstellen zu lassen, was bereits erfolgreich demonstriert wurde.