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Teilchenbeschleuniger und Kollisionen für die Forschung: Wenn es mit den Daten mal eng wird

Teilchenbeschleuniger haben sich in den letzten Jahrzehnten von heimlichen Stars der Grundlagenforschung zu Institutionen gewandelt, die in der Öffentlichkeit sichtbar sind – zum Beispiel durch die Entdeckung des Higgs-Teilchens, die es auf die Titelseiten großer internationaler Tageszeitungen geschafft hat. Befeuert von faszinierenden Experimenten und deren Ergebnissen sowie eher wissenschaftsfremden Thrillern wie Dan Browns ‚Illuminati‘ sieht die Öffentlichkeit in ihnen die Orte, an denen die Grenzen des Machbaren und des wissenschaftlich Erklärbaren immer weiter verschoben werden.

Neben dem CERN bei Genf mit dem Large Hadron Collider (LHC) gehört auch das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY bereits seit dem Anschalten seines ersten Teilchenbeschleunigers 1964 zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren. Unauffällig eingebettet zwischen Trabrennbahn und Wohngebieten erforschten am Hamburger Standort Wissenschaftler ursprünglich das Wechselspiel kleinster Elementarteilchen.

Ähnlich wie am CERN rasten dort bis zum Jahr 2007 Elektronen, Positronen und Protonen fast mit Lichtgeschwindigkeit durch einen mehrere Kilometer langen, nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlten Ring, in dessen Inneren ein Hochvakuum erzeugt wird. Dabei halten große Elektromagneten die Elektronen in ihrer Bahn.

Mit hoher Energie ließen die Forscher sie frontal aufeinanderprallen. Bei der Kollision entstehen kurzlebige Teilchen, winzige Bausteine der Materie. Detektoren machen sie für die Forscher sichtbar. Durch die Analyse der aufgezeichneten Messdaten gewannen die Forscher neue Erkenntnisse über den Aufbau von Atomen (genaugenommen: Protonen).

Teilchenbeschleuniger als Erfolgsgeschichte

Erkenntnisse über das Innere von Protonen gehören zur Erfolgsgeschichte: Zum Beispiel, dass deren Inneres nicht nur drei Quarks enthält, sondern eher einer brodelnden Teilchensuppe gleicht, in der Quarks, Antiquarks und die „Klebeteilchen“ zwischen ihnen, die Gluonen, ständig auftauchen und wieder verschwinden. Oder dass Quarks sich freier bewegen, je näher sie beieinander sind. Darüber hinaus konnte aufgedeckt werden, dass zwei zentrale Kräften der Natur – die elektromagnetische und die schwache Kraft – aus einer Kraft entstanden sind.

Heute werden neben einer ganzen Reihe weiterer Installationen die großen Beschleuniger bei DESY – ein Ringbeschleuniger und zwei Linearbeschleuniger – als große Röntgengeräte zur Untersuchung von Materie verwendet und weiterentwickelt. An allen werden Photonen (Lichtteilchen) auf zu untersuchende Materie gelenkt. Die Einsatzgebiete reichen von der Halbleiterforschung bis hin zur Medizin. So ist es möglich, die Struktur von wachsenden Kristallen und die Interaktion von Molekülen zu visualisieren. Beispielsweise konnte gezeigt werden, wie Viren Bakterien angreifen – Grundlage dafür, Behandlungsmöglichkeiten für antibiotikaresistente Bakterien zu entwickeln.

Teilchenbeschleuniger wie DESY untersuchen Protonen und Quarks

Unmengen an Daten in Wissenschaft und Wirtschaft

Aber wo heute in Wissenschaft und Wirtschaft komplexe Aufgaben zu lösen sind, fallen Daten an – Unmengen an Daten, die bestehende IT-Infrastrukturen schnell an ihre Grenzen bringen und die Performanz eines ganzen Beschleunigers gefährden können. Heutige Experimente sind nicht nur von ihren Anlagen her deutlich datenintensiver, sondern auch komplexer. Die neuesten Generationen von Detektoren produzieren aufgrund ihrer hochauflösenden Technologien bis zu zehn Mal mehr Daten als ihre Vorgänger. Und im Gegensetz zu früher müssen heute Daten miteinander korreliert werden, die in Bruchteilen von Millisekunden aufgenommen wurden. DESY betreibt und entwickelt eine Reihe von Detektoren, von denen jeder einzelne bereits in der Vergangenheit alle fünf bis sechs Sekunden mehr als fünf Gigabyte – und damit dem Äquivalent einer handelsüblichen DVD – an Daten produzierte. Zusätzlich erzeugen heutige Beschleuniger und Detektoren eine Unmenge von Messdaten über die Geräte selbst, die analysiert werden müssen, um sie optimal zu betreiben.

Wo im weltweiten, wissenschaftlichen Wettbewerb die Daten aber mit Hilfe eines möglichst umfangreichen Pakets von Experiment bis Analyse nicht mehr schnell genug bereitgestellt werden können, entstehen Nachteile, wenn es um die nächsten Entdeckungen, das eigene Renommee und die Attraktivität des Standorts geht.

2014 entwickelte deshalb das Forschungszentrum gemeinsam mit IBM Research und IBM Entwicklungsteams im Rahmen einer Machbarkeitsstudie (Neudeutsch: Proof of Concept) innerhalb weniger Monate eine Lösung, die auf einer Speicherlösung namens IBM Spectrum Scale beruht. Dabei handelt es sich um ein Hochleistungsspeichersystem, das es erlaubt, diese parallelen Datenströme aufzunehmen, zu speichern und die gespeicherten Daten unmittelbar zu analysieren. Was früher bis zu drei Tagen dauerte, ist für die Wissenschaftler heute innerhalb weniger Minuten verfügbar.

Daraus ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: Zum einen können Optimierungen am bestehenden Versuchsaufbau im laufenden Betrieb vorgenommen werden, da praktisch sofort erkennbar ist, ob die aufgezeichneten Ergebnisse Antworten auf die gestellten Fragen liefern. Zudem sind die Wissenschaftler nicht mehr wie früher gezwungen, ihre Daten offline bis zur endgültigen Bereitstellung auf anderen Datenträgern vorzuhalten. Und nicht zuletzt sorgt eine automatische Speicheroptimierung dafür, dass die IT-Abteilung bei DESY weniger manuelle Eingriffe vornehmen muss und damit Zeit und Kosten spart.

Auf dem gleichen Prinzip basiert auch das neueste gemeinsame Projekt: Seit dem 1. September 2017 hat der europäische Freie-Elektronen-Röntgenlaser European XFEL seinen Betrieb als stärkste Röntgenquelle der Welt aufgenommen. Die 3,4 Kilometer lange, lineare Anlage führt unterirdisch vom DESY-Gelände bis nach Schenefeld am nordwestlichen Stadtrand von Hamburg und produziert bis zu 27.000 Lichtpulse pro Sekunde. Forscher können damit Experimente auf atomarem Level durchführen: Identifizierung von Details bei Viren, chemische Reaktionen oder Abläufe im Innern von Planeten. Ein Teil der Installation ist der so genannte Large Pixel Detector (LPD), eine Röntgenaufnahmegerät, das 4,5 Millionen Bilder pro Sekunde schießt – und dessen Datenmengen können Stand heute noch nicht weggespeichert werden.

Die Forschung bei DESY geht unaufhörlich weiter. Während ein Beschleuniger nur alle paar Jahrzehnte aufgerüstet oder neu gebaut wird, erfahren Detektoren kontinuierliche Verbesserungen. Die Datenrate verdoppelt sich alle acht bis 18 Monate. Die Leistungsanforderungen an den Speicher und die Analyse steigen somit schneller als Moore’s Law, zumal immer komplexere Experimente aufgebaut werden, deren Auswertung aufwendiger ist. Während früher einzelne Bilder aufgenommen wurden, werden heute viele Tausend Bilder pro Sekunde zusammengefügt, um chemische und biologische Prozesse als Film zu visualisieren.

“Datenintensive Forschung ist bei DESY schon seit mehr als 25 Jahren in der Teilchenphysik ein prominentes Thema und Arbeitsfeld. Mit den neu hinzugekommenen Forschungsfeldern auch abseits der physikalischen Grundlagenforschung wie beispielsweise der Strukturbiologie erleben wir viele ‘Déjà-vus’: Alle unsere Nutzer haben ‘viele Daten’, erwarten deutlich mehr und die alten Methoden – unter anderem die klassischen IT-Ansätze – skalieren nicht”, sagt Martin Gasthuber, Senior Scientist bei DESY.

Gut zu wissen, dass es auch dafür in Zukunft die entsprechende IT-Infrastruktur geben wird. Auf dem IBM THINK Blog haben wir auch über Entwicklungen bei Quantencomputern berichtet.

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