Wetenschappelijk onderzoe

HISPARC: een nieuwe rol voor de wetenschap in het onderwijs?

Wetenschappelijk ^onderzoe

Kande

kloof

tussen de beginnende scholier en de

wetenschappelijk onder- den in

het kader van het landelijk zoeker

worden

_overbrugd? De

laatste eeuw is

die

kloof breder

en

dieper

HISPARC-netwerk. In Amsterdam gaan geworden.^Veel

moderne onderzoekers

hebben nauwelijks

contact met het

^zevenscholen in een netwerk met de vu en het ^NIKHEF dit ^{najaar een} detector

onderwijs

^en werken afgezonderd in gespecialiseerde

laboratoria, al dan

bouwen. Op 6 juni ^jl. namen van deze

niet

in

kilometers

_lange

tunnelsonderdegrond. En in

^het

voortgezetonder-

scholen26popelendeleerlingen en acht wijs,

dat

massalerisgeworden en^een

grotere

pedagogische

rol heeft

_gekre- docenten aan een eerste instructiebij-

gen, is nog

geen bevredigende

manier

gevonden om leerlingen

te

laten eenkomst deel.

delen in

de

vragen en

^de

resultaten van

het

moderne wetenschappelijk

onderzoek. In de tweede fase is de

natuurkunde

op school zich zelfs

nadruk-

ONDERWIJSACTIVITEITEN

Het is nietnodig^datvwo-docenten en

kelijker

^dan

daarvoor tot

klassieke

onderwerpen

gaanbeperken.

Maartoch,

scholieren zich alle theorie achter dit

gebruik makend van

^de

mogelijkheden van het internet en het

Global onderzoek _eigen

maken. Voor het

PositioningSystem (ops) en -

wat betreft het onderwijs - van het Studiehuis,

onderzoek zelf is het voldoende dat zij

doen astro-

en

deeltjesfysici met het project

HISPARC nu een

poging

een de detector en de dataverwerking aan

brug te

^slaan. de praat houden. Het is echter de

bedoeling om van^de aanwezigheid van een detector_{op school}eenkristallisatie- kern te maken voor allerlei onderwijs- activiteiten.Zo geeft hetproject^aanlei- DETECTIENETWERK ding

tot

profielwerkstukken in^{het kader}

HISPARC en NAHSA

^{|n HISPARC}

^wordt

onderzoek gedaan van het studiehuis in de tweede fase.

HispARc staat voor High-School Project for

naar (sub)atomaire geladen deeltjes Voor deze profielwerkstukken verrich-

Astrophysics^Research withCosmics en is een lan- meteenenergie van meer dan 10'9 eV - ten de leerlingen eigen onderzoek en delijk project om middelbare^{scholen en onder-} de energie van een glas melk dat van HISPARC kan hiervoor allerlei aankno- zoeksinstituten te laten samenwerken aan een

tafel valt - die

de atmosfeer per km2 pingspunten bieden ineenzinvolle con- astrofysisch onderzoek. Hetis opgezet naar het hoogstens een keer per jaartreffen. Tot text.

voorbeeld van de Nilmegen Area High ^School nu toe is slechts een beperkt aantal Om te beginnen bouwen scholieren de Array (NAHSA) een proefproject waarbij de KUN waarnemingen van deze deeltjes detectoren zelfen krijgen de scholen de en twee middelbarescholen samenwerkten aan geclaimd. Als het geen artefacten zijn, beschikking oversoftware om de gege- astrofysischemetingen metbehulp^vandetecto- willen_{we graag}weten waarzevandaan vens van alledetectoren opte halen en

ren die bij alle drie

^de instellingen geplaatst komen en waarom ze zoveel energie te analyseren. Dieanalyse richt zich bij-

230 waren. Deze maandensluiten viernieuwe scho- hebben. Een deeltje datmetdeze ener-

len zich bij het Nijmeegse project ^aan. Tegelijk gie ^de atmosfeer binnenkomt, veroor-

wordt

inAmsterdameennieuwclustervanzeven zaaktdoor botsing^{en vervaleenairsho-} detectoren rond NIKHEF en VU geTnstalleerd en wervan secundairedeeltjes die zich op wordeninUtrecht,LeidenenGroningeninitiatie- aarde over een

groot

oppervlak ver- ven voor nieuwe clusters genomen. Naast het spreidt. Met 10 A15 detectoren op een wetenschappelijke belang biedt het project ^de gebied van 100 km2 kandeshower goed mogelijkheid om leerlingen in het voortgezet worden waargenomen. ^De meetgege- onderwijs actief tebetrekken bij wetenschappe- vens vanelkedetectorworden met GPS

lijk^onderzoek. van co8rdinaten en van een tijdstempel

Meer informatie iste vinden op^dewebsites voorzien en via hetinternetverzameld.

http://www.hisparc.nl/, en Wat is er mooier dan samen met scho- http://www.hef. kun.nl/nahsa/. lieren de detectoren te bouwen en op

CHARLESTIMMERMANS (KUN) het dak van hun school te plaatsen, en JAAP SCHOTANUS (KUN) hen te betrekken bijde observaties? In BOB VAN EIJK (NIKHEF/UT)

JAN-WILLEM VAN HOLTEN (NIKHEF/VU) Nijmegen gebeurde dat in 2002 voor het

Figuur I

FRANS VAN LIEMPT (VU) eerst met het NAHSA-project, nu Wordt Schematischevoorstelling vandeeltjes-shower

hetinitiatief uitgebreidnaarandere ste- indeatmosfeer(M.Chemarin).

NEDERLANDS TUDSCHRIFTVOOR NATUURKUNDE juli 2003

ONDER IJS

k voor scholieren

voorbeeld op coYncidenties metandere onderzoek. Scholieren ervaren dat hun hebben. Deze vragen hebben vaak detectoren. Medewerkers van de uni- bijdrage ertoe doet en ze krijgen ant- betrekking op^denatuurkunde (elektro-

versiteit of

het NIKI+EF helpen bij de woord op vragen die bil hen opkomen. magnetisme, deeltjesfysica, optica, rela- bouw van de detector en bij het inter- Hierbij

komen zij op

een 'natuurlijke' tiviteitstheorie, sterevolutie, kosmische preteren van ^de meetgegevens. Op ^de manier met de universiteit en vervolg- achtergrondstraling). Maar ^{ze kunnen} websitevan HISPARc Sordt de informa- studies in contact. Elkjaar worden alle zich ook op andere vakgebieden richten, tie per cluster bijeen gebracht en kun- deelnemers vooreensymposium uitge- zoalswiskunde (plaatsbepalingmet_GPS, nen scholieren, docenten^en onderzoe- nodigd.

.

statistiek metbetrekking totcoinciden- kers hierovermetelkaarindiscussie tre- Degastlessen die astrofysici op enkele ties), biologie (straling ^en weefsel), den. Deelname aan het project geeft scholen hebben _gegeven, blijken ^veel scheikunde (scintillatiematerialen, leerlingen een goede indruk van de leerlingen testimuleren om zich in pro- atmosferisch chemie), techniek (detec- noodzaakvancommunicatieensamen- fielwerkstukken ^bezig te houden met tie, signaalverwerking ) ^en informatica werking in modern wetenschappelijk vragen die met het project te maken (dataverkeer^en -representatie, netwer-

De deeltjes

De aarde

wordt

voortdurend gebombardeerd doorenergetische

deeltjes^enstraling uit^deruimte. In het elektromagnetische spec-

"

-",9 """l '''",9 '''9 1 9--9 "",1 "'-9 ''',"9 '"i,„9 "",1, '"mi ""

trum zijn

^dit bijvoorbeeld licht, microgolven ^en gammastraling. _{102 -}

•

^{Fluxen vankosmischestraling}

Ook ontvangen wegroteaantallen neutrino's van de zon en ande- - _ 1

re sterren.^Eenderdecomponentvande kosmischestraling bestaat E r \ = uitgeladen deeltjes, zowelprotonen^alszwaardere atoomkemen. 2 10-' ^r A - 1 deeltje per mi

0 -

Delaatstgenoemde straling werd in^debeginjaren van detwintig- ·· 1 - steeeuwontdekt doordeNederlander Th. Wulfenverderonder- 10- r

zocht doorde Oostenrijker V. Hess. Degemetenenergieen varie- - -

renvan minder dan 109 eV tot 1020 eV. Bijtoenemendeenergie

10-7 _ 0

neemtde waargenomen flux zeer snelaf,zoals te zien in figuur 2. r 0 -

De oorsprong van de geladen deeltjes^isdivers en voor dedeeltjes r 0 -

10-10 ^{_ .0}

methogere energie deels speculatief

of

onbekend.Eenaanzienlijke 0 Knie

r ' (1 deeltle per milaar) -

fluxvanprotonen^enlichteatoomkernenmet_{energie in}hetgebied -

van MeV's tot GeV's per nucleon^isafkomstig van de zon. De inten- 1043 - -

siteit van deze zogenoemde zonnewind^isvariabelenwordttegen- 7 23I-

woordig uitvoerig inde gaten gehouden doorsatellieten,onder _10-8 andere vanwege zijn invloed op de telecommunicatienetwerken. - De deeltjesmethogere energietotongeveer 10'5 eVper nucleon -

10-19 - -

...,Inein.11„...Ilielek.wee...., ..,-.-11,„n. _I -

geproduceerdⁱⁿschokgolven rond

supernova's. - \2

lijk van extragalactische oorsprong. Deeltjes met

energiein van 7 --,----J '

_Enkel

meerdan een paarkeerio'9eVkunnen echter niet van heel ver weg ^{10-25 r} (1 deettle per kmiliar) -- -

komen,omdatzeverstrooien aan de kosmischeachtergrondstra- r ling en zo hun energie^snel

kwijt

^raken.

10-23 -2 ,

Een moeilijkheid bijhetzoeken naar de oorsprong van de geladen ...1 ...1 ...1 ....,1 ...1 ...1 ...1 ...1 ..., ...1 ...1 ...1 ..,-

deeltjes in de kosmische straling is dat^zewordenafgebogen door 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020

de zwakke maaruitgestrektemagneetvelden in de kosmos. Alleen Energie (eV)

van de deeltjes met de allerhoogste energieen kan 16 tichting waaruitzekomenmogelijk informatie bevatten over delron.

/

^{JwvH Figuur2} Gemeten flux van kosmische stralen (compilatie van Swordy).

jUIi₂₀₀₃ NEDERLANDS TUDSCHRIFT VOOR NATUURKUNDE

Ervaringen

ken, websites _maken). Een eenmaal worden gebruikt ^als aanknopingspunt NAHSA iS in2001gestart aan de KUN met opgezet netwerk kan gebruikt

worden om

te praten overde structuur en de het ontwerp van eendetectorstation en voor andere projecten ^en vormen van evolutie vanhet_heelal,ofoverheteffect

het verzamelen van

de nodige onderzoek. Uitbreiding van^dedetecto- van deeltjes^en straling op mensen ^en hardware. Daarnaast is contact _gelegd

ren met

een meteorologisch meetsta- apparaten. met twee middelbare

scholen, de

tion ^is makkelijk te realiseren en geeft NijmeegseScholengemeenschap Groe-

leerlingen mogelijkhedennaaratmosfe- |NTERESSEWEKKEN newoud enhet Stedelijk Gymnasium in rische verschijnselen te kijken, bijvoor- _MisschienisHISPARCeentoeva||ige krui- Nijmegen. ^Deze scholen

liggen op

beeld inhet kadervanaardrijkskunde en mel die van^detafel vandewetenschap ongeveer vijfhonderd

meter en drie

scheikunde. valt. Detoekomst zal leren of het ook kilometer van de KUN. De onderlinge

HISPARC bereikt niet alleen de groep een bijdrage is aan eenkentering in de afstand is ook ongeveer drie kilometer.

geinteresseerde bdtaleerlingen. ^De manier waarop hetcontacttussen scho- Tussen twee stations met een afstand meeste docenten in het Amsterdamse len en de wetenschappelijke wereld

vaAijfhonderd

meterzijn dagelijks een netwerkbespreken hetproject met^hun

wordt

vormgegeven. Een goed teken ^is handvol coincidenties, veroorzaakt leerlingen in het vak algemene natuur- dat hetproject tot nu^toegreot enthou-

door

hoog-energetische ^kosmische wetenschappen of metde leerlingen ^{in siasme}oproeptbij leerlingen, docenten deeltjes, te verwachten, en voor een hetprofiel 'Natuur^enGezondheid: Edn endirecties in hetvoortgezet onderwijs, afstand vandriekilometerongeveer 66n van descholen die aanhetproject deel- en dat bij^eenflinke groep leerlingen^de per maand. Daarnaast zijn er ook nog neemt, heeft op eencentraal punt een handenjeuken om aan de slag tegaan. toevallige coTncidenties dieworden ver- vitrine_gemaaktmetdaarineenmonitor Deinitiatiefnemers _hopendoor middel oorzaakt door twee laag-energetische waarop de actuele meetgegevens wor- van ^het project nog bij ^veel leerlingen deeltjes dietegelijkertijdop verschillen- den getoond. Daarnaast isruimte voor interesse te wekken voor modern de plaatsen arriveren. Een opstelling een postermetuitleg, die door alle leer- wetenschappelijk onderzoek en danmet metmeerderestationsgeeft de moge- lingen die langskomen wordt opge- name in^denatuurwetenschappen. lijkheid de kans op toevallige coinciden-

merI(t. _Bij verschillende vakken kan dit ^FvL tiesteverkleinen.

Het detectiestation

Bij de meting van ^de deeltjesdichtheid op^aarde

wordt

_gebruik naarsignalen dievrijwel gelijktijdig(binnen enkele microseconden, gemaakt ^van scintillatiemateriaal.

Dit

materiaal bevat een stof afhankelijk van de afstand tussen de stations) worden gere- waarvan deatomen in een aangeslagentoestandworden_gebracht gistreerd. Uitde tijdsverschillen tussen de stations kan derichting wanneer geladen deeltjesmet relativistischesnelheidhet materi- van de deeltjesregen worden bepaald. Vervolgens worden de aal binnenkomen. De aangeslagenatomenverliezen hun energie metingen van de deeltjesdichtheidgebruikt om^deoorspronkelijke door fotonen uitte stralen, er

wordt

eenlichtflitsgegenereerd. De energie van de kosmische straling te bepalen. In de toekomst lichtsterkteisevenredig met detotalehoeveelheid energie die^aan

wordt

devollediggereconstrueerdegebeurtenis via hetinternet descintillator

wordt

afgestaan en^ishierdoorafhankelijk vanhet beschikbaar gesteld aan de scholen.

totaleaantal geladen deeltjes dat gelijktijdig door het ^{materiaal BvE}

gaat. Eenstation

wordt

opgebouwd uit twee scintillatorpanelen

232 die driemetervanelkaarliggen. Omdedatastroomtereduceren ^{45cm 45 cm}

dienendoorbeide platen (van 0,5 mi per stuk)gelijktijdigdeeltjes te gaan (ziefiguur_3).Aangezien we geYnteresseerd zijningebeur-

Trigger-signalen

tenissen waarbij dedeeltjesdichtheid grootis,levert deze eis geen 5 5 '00, orsen 'COOp

verlies van interessante gegevens op. Delichtflitsen

worden door § 8

fotoversterkerbuizen omgezetin elektrische signalen. De signalen

worden metbehulp van eenoscilloscoopkaart in een pcvastge- AND

legd. Van beide

platen is dan

^de gedigitaliseerde pulsvorm Drempel

11

^Drempel

beschikbaarvoorverdereverwerking.

Om de gegevens van demeetstations tekunnen correleren,dient ^{Comp. Comp. -}

iedere meting van een exacttijdstempel te worden

...rzien. Het 1 1 1 geintegreerde GlobalPositioning System(ops)leverteenkloksignaal I Signalen

meteen precisie vanhonderdnanoseconde. Bovendien

geeft het 9 -E,=p,pOE,I

GPS een nauwkeurigepositie van de meetopstelling. Vervolgens

1 1

worden de datavia internet naareen centrale computergetran-

sporteerd. Opdiecentralecomputerworden de data van alle indi- Figuur 3 erzkht van een detectorstation waarbilde actieve elementen viduele stations binneneencluster gecombineerd. Gezochtwordt el'Rde uitlezingzijnweergegeven.

NEDERLANDS TUDSCHRIFTVOORNATUURKUNDE juli 2003

F 2 -ad */ i _l

nnet

0.0.-

31,-Ii.F..

43.

Figuur 4 Installatie vaneendetector op het dak vanhet Stedelijk Gymnasium in Nijmegen.

DE OPBOUW VAN HETEXPERIMENT Dat wil zeggen dat via het internet de geplaatst op het dak van^deuniversiteit.

De eerstedriestationsinNijmegen zijn data van^allestations beschikbaar zijn, en Om dedetectorelementen tegen weer door studenten inelkaar gezet. Ook de dat bovendien ^de coYncidenties opge- en wind te beschermen, zijn^ze,zoals op programmatuur voorhet inlezen van de vraagd kunnen worden. Daarnaast is er de foto te zien is, in autodakkoffers data bij ^de detectorstations met de pc ^eenvisualisatieprogramma waarmee de gelegd.

enhet versturen naar een centraal punt interpretatie van de data(ofwel^deinslag Gedurende 2002 is er intensief contact is door deze studenten gemaakt. Een vaneenhoog-energetisch deeltje) zicht- geweest tussen ^de wetenschappelijke cruciaa|aspectvan NAHSA is dat de gege- baargemaaktwordt. staf van de KUN, debetrokken leraren, de vens niet alleen vanuit de scholen naar OP 31 mei 2002 zijn^dedetectoren met studenten endescholieren.Dedocenten de KuN wordenverstuurd, maar dat de hulp vande scholieren geplaatst op de enscholieren zijn meerdere malen op de gegevens van het gehele experiment daken van detweescholen (zie figuur 4)· ^KUNgeweest om op de hoogte te blijven vooriedere deelnemer toegankelijk zijn. In^deweken daarvoor wasdedetector al van de ontwikkelingen met _betrekking

KUN-NSG tijdsverschil 2003 KUN Data

1000

A 200 -

1800 1 - N

m 1

6'1 6 ^{g 175}

400 -

- 150 -

233 200 -

125 - -

0 '·''··''·'''I'',,1 '''I,'',1,, il''* 1 ,, ;

20 25 30 35 40 45 50 55 60 -

Dagen 100 - -

1100·,····i····i····i····i····i····i·i·i : 1080 7

f - : 75 - - 5 1060 7

1040 - cm <

' 1 020 50 - -

1000 -- 1 '

980 - -

- 25 - -

960 - - 940 7

920 2 e1 5:1-- 0, -2.5-11--- 215--/5&0i- 00

900 ' · ' ' ' · ' ' ' · ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' 'f l' ' ,1, ' ' ^{1, -} _{At (ps)}

20 25 30 35 40 45 SO 55 60 Dagen

Figuur6 AantallencoTncidenties,gemetentussen de KUN en de Figuur 5 Gemeteneffect vandeluchtdruk opdedatastroom Nijmeegse Scholengemeenschap Groenewoud (NSG),

van eenenkel station. als functie vanhettijdsverschil tussen^destations.

JU|i 2003 NEDERLANDS TUDSCHRIFT VOOR NATUURKUNDE

Figuur 7 Signaal van eengebeurtenis als waargenomenop drie stations.

De grijze^engroene curves cor- ^{100 mV -}

-318200216:29:51.8 138295 1

responderen met de twee

detectoren op elk station. _{50 mV -}

1MS OF 1 #s

100 rnV _ 31 2002 16:29:51.8138295

5.-, - - 1 -«1 111--8

_{1As 0}

tls 1 ps

100 mV -

50 mV

1ps OF ^{1 ps}

tot de bouw van de detectoren, en ^om geeft de dag aan. Indezegrafiek zijnde Daarnaasthebben we een hint van een vragen te stellen overhet project. Daarbij data weergegeven vanaf i7januari toten signaal opeen afstand van drie kilome- blekende studenteneennatuurlijk aan- met₃maart 2003. Het^isduidelijk te zien ter. De gecorreleerde gebeurtenissen spreekpunt te vormen voormiddelbare dat fluctuaties indedatastroomcorrele- latenbovendien een rijke structuur zien, scholieren die een profielwerkstuk over ren met de luchtdruk. Hoe hoger de zoals is weergegeven in figuur 7. Deze

NAHSA wilden maken. Dit alles heeft luchtdruk wordt,^hoe mindergebeurte- figuurgeeft aan dat ereencorrelatie was geleid tot drie afstudeerverslagen en drie nissen door hetdetectorstation worden tussenstations i en 2. We zien deoscillo- profielwerkstukkenOver NAHSA. Depro- waargenomen. Omdezeafhankelijkheid scopetmces vandebeide platen (in grijs fielwerkstukken zijn op de KUN gepre- beter te kunnen bestuderen, hebben we ^en groen) voor elk station. Alleen de senteerd aan alle mensen die bij het besloten een eigen weerstation aan te bovenstetweegrafieken laten data zien, experimentbetrokken zijn. schaffen en de data opinternetbeschik- station 3 had geen data en dus is de baarte stellen. onderste grafiek leeg. ^De tijdsschaal op DATA Naasthet bestuderen van de gegevens ^de horizontale as is in microseconden, De meetgegevens van eenstation wor- van een individueel station, zoeken we terwijl de verticale as de pulshoogte in den alleen in een _pc opgeslagen als er ook ^naar coincidenties tussen de sta- millivolts laat zien.Destructuur die hier een coYncidentie van detweeplaten is. tions.Wehebben ongeveervijfhonderd _zichtbaar is vergt nadere bestudering, Ditisnoodzakelijkomdatdeindividuele coincidenties tussen de stations met een een'normale'gebeurtenis van^eenenkel platen ongeveertweehonderd maalper afstand van vijfhonderd meter gere- station laat netjes een enkel piekje in secondeeen signaalgeven. Door depia- gistreerd, waarvan 380 in 2002. Deze zijn beide platen zien.

ten op een redelijke afstand te leggen infiguur6uitgezet. Op de horizontale as Dezemaanden staateenuitbreiding van (ongeveer drie meter)worden eronge- staat het tijdsverschil tussen de GPS- NAHSA met vier stations op het pro- veer tien gebeurtenissen per minuut tijdstempelszoals op detweestationsis gramma. Bovendienwordt,zoals al eer- geregistreerd. Dit is te zieninfiguur_{5. gemeten,}terwijldeverticale as het aan- der genoemd, de opstelling op de KUN

234 Het bovenste deel van deze figuur laat taI gebeurtenissen in een interval van uitgebreid meteen weerstation om cor- het aantal gebeurtenissen per uur zien, twee microseconden laat zien. De piek recties voor atmosferische invloeden terwijl de onderstefiguurde luchtdruk rond nulis duidelijkzichtbaar, wat erop mogelijk te maken.

laat zien,zoals gemeten door^een nabij duidt dat we hierte maken hebben met ^CHT/JS gelegen weerstation. De horizontaleas gecorreleerde gebeurtenissen.

GESLAAG _

Promoties Doctoraal examens

Sterrenkunde Natuurkunde

21-5-2003:^E.K.Verolme (uL) Dynamical^mode/sofaxisymmetric and ul, 20-5-2003: M.D. Ackerman.

triaxial stellarsystems.Promotor: RT. deZeeuw. UL, 27-5-2003:^E.Gevers en A.F. Otte.

22-5-2003: J.D. Kurk (uL):Thedusterenvironmentsandgaseoushalosof vu, 27-5-2003: J.M. de Boer, C. van den Burgh en^G.V.Ybeles Smit.

distant radiogalaxies.Promotor:G.K.Miley. KUN, 26-6-2003: L.J. vanden Broek.

NEDERLANDS TUDSCHRIFTVOORNATUURKUNDE JU|i 200 3