介紹 QuarkNet

2010 年台灣夸克網工作坊

蕭先雄東吳大學物理系

大綱

•簡介 QuarKNet 計畫 歷史、 主旨 、目標……等•費米實驗室•儀器的介紹 宇宙射線探測儀•數位實驗室 (e-Lab)•介紹台灣夸克網

QuarkNet( 夸克網 )美國費米實驗室的教育計畫

• 一個高中生、大學生、研究生、高中老師及大學教授共同參與的合作計畫。加入高能物理學家的研究工作。

• 提昇『學生』對物理的興趣和培養近代物理的觀念。

• 各地的學生透過 QuakNet(e-Lab)進行交流，拓展學生的視野，激發學生的潛力。

• 舉辦工作坊 ,節省學習者摸索的時間。 http://quarknet.fnal.gov)

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夸克網的歷史 緣起：費米實驗室的 Science Education Office 提供 給高中教師進修的計畫1994 年 美國高中教師 Jeff Rylander 與 Fermi Lab. 的工程師Sten Hansen 合作， 特別設計了一個低價格的電路板 ( 即數據攫取卡， DAQ card) ，可以輸入探測器信號，在電腦上分析1996 年 由伊利諾州的 Main East High School 的高中生首次進行 muon( 緲子 ) 生命期的實驗。

2000 年 費米實驗室的 Tom Jordan 、工程師 Sten Hansen 和 Terry Kipe 設計一套 5 伏特直流電源的桌上型宇宙射線探測器，這就是屬於第一代的 QuarkNet 儀器， 其中使用的 DAQ CARD( 數據攫取卡 ) 不但可靠、價格低， 而且具備 NIM 模組所有的功能。

2006 年 台灣加入夸克網 (QuarkNet-TW)

2007 年 第二代的 QuarkNet 儀器 (6000 系列的 DAQ

CARD) 。

美國夸克網 (QuarkNet)

美國各地參加費米實驗室 QuarkNet 的分佈圖

費米國家加速器實驗室（ Fermi National Accelerator Laboratory ）

1. 成立於 1967 年，原名為「國立加速器實驗室」，是隸屬於美國能源部，位於美國伊利諾斯州巴達維亞附近的草原上。

2. 1974 年為紀念美國物理學家恩里科·費米而更名為「費米國家加速器實驗室」。

3. 研究領域為高能物理學、粒子物理學。第一任所長是羅伯特·R·威爾遜(Robert R.Wilson ， 亦為雲霧室的發明者 )

4. Fermilab 或 FNAL ，簡稱費米實驗室

5. 費米實驗室曾擁有世界上能量最高的質子 - 反質子對撞機 Tevatron（ 980GeV×980GeV ） , 附屬有兩大探測器 CDF和 D∅。

6. 費米實驗室發現 bottom quark (1977) ， top quark (1995) ， tau neutrino (2000) 。

Tevatron

CDF detector

費米實驗室夸克網計畫的成員

夸克網宇宙射線探測儀

包括 :• 四片塑膠閃爍器、四支光電倍增管、數據擷取

卡 (DAQ card) 、 USB 電腦連結線、交直流 5V電源變壓器、 0~5V 直流電源分配盒及 GPS 套件。

• 開啟附屬應用程式裡的通訊工具軟體 -- 超級終端機，連結 DAQ card 與電腦。

費米實驗室做出的套件內容 :

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塑膠閃爍體

光電倍增管

DAQ 板電源供應器

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全部接好之後， 實驗開始…

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夸克網宇宙射線探測儀的分佈圖

數位實驗室 (e-Lab)

• 利用網路儲存數據及分析數據• 聯繫各地的學生及研究人員 學生交換心得及討論結果• 網格計算、數據處理工具及最新的科技 數據資料由實際的科學實驗提供• 可以使用的資源包括分析軟體及背景知識

線上教材、帳號管理 、上傳及分析數據、撰寫報告及留言、筆記本

獲得很好的評價

數位實驗室 (e-Lab) 的主要功能 提供參與的學生1. 放在校園某一角落的探測儀，能把數據源源不斷

地透過網際網路上傳到中心網站 2. 學生們隨時可以進入 e-Lab 進行分析處理數據，

獲得一些結果與答案 3. 利用 e-Lab 發表論文的功能，與各地的學生分享

心得 , 體驗科學研究裡團體合作的過程 4. 進階的學生也有機會參與科學家的研究工作 , 獲

得寶貴的經驗

數位實驗室 (e-Lab) 的主要功能 提供參與的老師1. 撰寫線上教材及設計學生計畫的一個平台2. 訂下教學的目標及標準 , 能夠在線上測試

學生及批註學生發表在網站上的論文及學習筆記

3. 主要探討與宇宙射線有關的問題，有機會參加研究機構和大學物理教授的研究工作

E-Lab 架構圖

www.I2u2.org 2006 年起

• Interactions in Understanding the Universe• List of e-Labs Available to Students Cosmic Ray e-Lab Production Version with Grid Execution

CMS Test Beam e-Lab LIGO e-Lab ATLAS e-Lab International Linear Collider e-Lab

兩步驟可以進行的實驗有 : ( 一 ) 閃爍體計數器最佳工作狀態參數的設定； ( 二 ) 地表的宇宙射線以 muon 占大多數，測

量在各種情況下宇宙射線的通量 (flux) ； ( 三 ) 測 muon 的生命期 (lifetime) ； ( 四 ) 測量大範圍的宇宙射線空氣簇射 (Cosmic

Ray Air Shower) 。數據可上傳至數位實驗室分析並撰寫報告。

1. 上傳數據

2. 進入處理數據的工具列

3.選擇一項工具 , 然後挑選數據組

4. 得到處理選取數據的結果

數位實驗室分析的結果

數位實驗室分析的結果

5.選取線上發表論文的工具

個人庫存的線上論文

6. 線上撰寫論文

7.瀏覽論文

8. 以壁報的形式瀏覽

9. 以論文的格式瀏覽

10.針對某一篇論文留下意見

筆記本的功能

臺灣夸克網 (QuarkNet-TW)

• 成員 : 東吳大學 , 中央研究院 ( 物理所及網格中心 ),

天文科學教育館 , 及人高中 , 大直高中 , 基隆女中 , 輔仁大學 , 中央大學 , 交通大學 , 國家高速網路與計算中心 ( 格網應用組 ), 台中一中 , 國立聯合大學 , 高雄師範大學 , 高雄女中，成功大學。

臺灣夸克網目標

• 推廣台灣夸克網到全國性的階程，• 完成中文化的 e-Lab ，建立特色 ，• 建立 3 個完整的夸克網中心，• 至少有一個夸克網中心具備 10~20套宇宙射線探測儀• 繼續加強與美國費米實驗室 Education Office 的關係，進而推廣夸克網到全球性的階程。

• 成立一個有經費支援、有專任人員的團隊，以能夠維護及協助發展全國性的台灣夸克網，

• 成為一個結合科學教育與科學研究的模範網路，• 推廣 e-Science ，並讓 e-Science 能夠在國內生根。

特色之一以攝影機記錄分析雲霧室裡宇宙射線的軌跡

影片一

影片二

用雲霧室觀察

歡迎加入台灣夸克網