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Gymnasium Wolbeck

Langzeitmessung von Myonenzerfällen als Basis für einen nichtdeterministischen Zufallszahlengenerator

Projektbetreuer:                     
Timo Hergemöller, Stefan Mertens

Projektteilnehmer:                 
Hannah Belle Neuwirth, 17, Q2

 

 

 

 

Projektbeschreibung

Mitte 2018 wurde veröffentlicht, dass Ende 2017 eine kosmische Neutrinoquelle entdeckt wurde. Dies inspirierte mich zu meinem Projekt im Bereich der Teilchenphysik. Da Neutrinos nur sehr selten wechselwirken, beschloss ich, mich mit Myonen der kosmischen Strahlung zu beschäftigen.
Myonen entstehen in der kosmischen Strahlung in 10 km Höhe. Sie sind, wie zum Beispiel Elektronen, Elementarteilchen. Das Myon besitzt die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, ist jedoch mehr als 200-mal schwerer und instabil. Das heißt, es zerfällt nach sehr kurzer Zeit in ein Elektron und zwei Neutrinos. Für mein Projekt habe ich das CosMo-Experiment von der WWU (Westfälische Wilhelms-Universität Münster) ausgeliehen. Damit habe ich über zwei Monate die Zerfallszeiten von Myonen in Langzeitmessungen bestimmt. Aus einer genügend großen Anzahl an Zerfallszeiten (mehrere Tausend) lässt sich die mittlere Lebensdauer bestimmen und mit dem Literaturwert vergleichen. Meine Messung von 2,151 µs stimmt innerhalb von einem Fehlerintervall mit dem Literaturwert von 2,197 µs überein. Die gemessenen Zerfallszeiten habe ich als Basis für einen nichtdeterministischen Zufallszahlengenerator genutzt. Ein nichtdeterministischer Zufallszahlengenerator basiert auf physikalischen Prozessen – hier den Myonenzerfällen. Nichtdeterministische Zufallszahlen werden zum Beispiel für die Generierung von TANs (Transaktionsnummern) benötigt.
Mein in Java programmierter Zufallszahlengenerator ermöglicht die Analyse der gebildeten Zufallszahlen sowie eine anschauliche Umsetzung als Spiel. Ein Spieler kann dabei gegen den Computer antreten. In einer Testserie mit 192 Punkten erhielt der Zufallsgenerator 97 Punkte und die Spieler 95 Punkte. Somit ist das Spiel gerecht, da sowohl Zufallszahlengenerator als auch Spieler dieselben Gewinnchancen haben. Besonders gefreut hat mich, dass bei meiner Testserie durch den leichten Einstieg über das Spiel die Spieler auch sehr viel Interesse an den komplexen Hintergründen gezeigt haben. Die Verbindung von Physik, Mathematik und Informatik in meinem Projekt hat mir außerordentlich gut gefallen. Außergewöhnlich ist auch, dass durch das Spiel ein leichter Einstieg für interessierte Spieler in die komplexe Thematik möglich ist.

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