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Studierende des KIT am CERN

Seit Juni 2015 knallt es wieder im Large Hadron Collider (LHC) am CERN: Mit neuer Ausstattung können die Wissenschaftler in Genf nun Teilchen auf noch höhere Energien beschleunigen und die Ergebnisse der Kollisionen besser verarbeiten. So erhoffen sie sich neue Erkenntnisse zum Aufbau der Elementarteilchen. Das KIT ist bereits seit vielen Jahren am LHC beteiligt und trägt wesentlich zu Bau, Betrieb und Datenanalyse bei. Nicht nur Wissenschaftler forschen am CERN, auch Studierende verschiedener Fachrichtungen sammeln dort regelmäßig Praxiserfahrung. 

Mario Beck war Student der Elektrotechnik am KIT und schrieb seine Masterarbeit am CERN. Sein Projektteam sorgt für die Anpassung der Beschleuniger für den Betrieb mit höheren Energien: Die Teilchen werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Mit seinen hohen Energien kann der Teilchenstrahl einzelne Bauteile des Beschleunigers beschädigen, wenn er von seiner Soll-Umlaufbahn abweicht. In solchen Fällen kann der Strahl über Ablenkmagneten, den Kickern, herausgeleitet werden. Diese überführen auch den Teilchenstrahl von einem Beschleuniger in den nächsten. „Meine Aufgabe war, die Verlustleistung, die der Strahl durch sein elektromagnetisches Feld in den Kickern erzeugt, zu messen und zu simulieren“, sagt Beck. „Das Problem ist: Die Verlustleistung erhitzt die Kicker und wenn diese zu heiß werden, können sie den Strahl nicht mehr steuern. Das würde den Betrieb der Beschleuniger stören.“ Deshalb untersuchte er, wie man die Strahlfelder mit einem Hochfrequenzkoppler an den Kickern vorbeischleusen kann, um dessen Erhitzung zu verringern. 

Auch Yang Zhang hat am CERN ein Praxissemester absolviert. Die Informatikstudentin arbeitete in der Softwareentwicklung. Hier erarbeitete sie ein Programm, das den Fluss der Teilchen in den vier großen Experimenten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb simuliert. Mit diesem kann sie genau zeigen, wie sich die Teilchen nach den Kollisionen durch den Detektor bewegen, wo sie auftreffen und wie sie abprallen. „Das Programm ist für die Validierung der Experimente sehr wichtig“, sagt Zhang. Für ihre Software hat sie während ihres Aufenthalts die geeigneten Eigenschaften verschiedener Ansätzen in einem neuartigen Mischansatz vereint, der die Flugbahn der Teilchen nun genauer und schneller simulieren kann. „Finale Tests müssen noch gemacht werden, aber bisher ist das Ergebnis mehr als zufriedenstellend“, so Zhang. Die Simulation funktioniert dabei unabhängig von der Umgebung, also den Experimenten des LHC. So kann die Software in Zukunft auch in der Medizin, etwa bei Operationen oder Strahlentherapien genutzt werden. 

Mitverantwortlich für die Netzwerksicherheit war der Informatikstudent Jan Grashöfer während seines Praktikums im CERN Computer Security Team. „Am CERN gilt: Bring your own device. Das heißt, dass jeder seinen eigenen Laptop mitbringen und im Netzwerk arbeiten kann. Das ist ein Problem für die Technikbetreuung“, sagt Grashöfer. Diese habe keine Kontrolle über die fremden Computer, müsse aber trotzdem verhindern, dass sich Schadprogramme verbreiten. Gleichzeitig dürfe die Arbeit der Wissenschaftler nicht eingeschränkt werden. Dabei soll nun ein neues, quelloffenes Programm helfen: „Wenn die Software einen verdächtigen Datenfluss detektiert, zum Beispiel ein Virus der versucht Daten von einem Rechner zu übermitteln, ermöglicht sie den Nutzer ausfindig zu machen und ihn zu warnen.“ Die infizierten Geräte werden vom Netz genommen und so verhindert, dass sich Schadprogramme verbreiten können. Grashöfers Aufgabe war, das neue Programm in die IT des CERN zu integrieren, zu testen und Fehlerkorrekturen direkt in das Open-Source-Projekt zurückzuführen. Eine Herausforderung war dabei die große Datenmenge im Netzwerk des CERN. 

Um die Forschung der Physiker am CERN für nachfolgende Wissenschaftler zugänglich zu machen, arbeitete der Informatikstudent Marco Neumann an einer Plattform mit, welche die wissenschaftliche Analyse der Daten archiviert: „Bisher wurden lediglich Endresultate, Grafiken und Rohdaten veröffentlicht. Unser Team will aber auch das Vorgehen bis zur Erkenntnis dokumentieren.“ Deshalb ergänzten sie Informationen zur Software, Kennzahlen, Entscheidungen und Begründungen, welche die Forscher für ihre Untersuchungen nutzten oder angaben. So können Wissenschaftler weltweit, die nicht an der Analyse der Daten beteiligt waren, nicht nur die Forschungsergebnisse nachempfinden, sondern auch den Weg dorthin. „Die Plattform hilft, aus den Daten zu lernen aber auch mögliche menschliche oder technische Fehler zu finden und zu beheben“, so Neumann. 

Ihre Zeit am CERN hat den Nachwuchsforschern nicht nur fachlich viel gebracht: „Es gibt sehr tolle Persönlichkeiten am CERN, und ich hatte viel Freiraum für kreative Ideen. Es hat viel Spaß gemacht, mit diesen Leuten zusammenzuarbeiten“, sagt Yang Zhang. Für Mario Beck war es eine ganz neue Erfahrung: „Man hat von Anfang an viel Verantwortung. Für mich war es ein ganz anderes Fachgebiet und es war wirklich spannend, dass man etwas Neues machen konnte.“