Kurs: AI for Autonomous Particle Accelerators

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Stell dir vor, du betrittst den Kontrollraum eines hochmodernen Teilchenbeschleunigers, in dem das Summen vieler Computer die Luft erfüllt. Als wissenschaftlicher Operator_In bist du damit beauftragt, geladene Teilchen auf einen Diagnostikbildschirm zu lenken und zu fokussieren, um den Strahl für die experimentelle Forschung vorzubereiten. Willkommen bei diesem immersiven Online-Kurs, der dich an das Steuer eines virtuellen Teilchenbeschleunigers setzt und dich durch den aufregenden Prozess der Strahlvorbereitung, präzisen Steuerung und Bereitstellung der Grundlage für bahnbrechende Experimente führt.

In diesem Kurs folgst du den Teilchen auf ihrem Weg durch den Teilchenbeschleuniger – Wunderwerke der modernen Wissenschaft, die unser Verständnis von Materie seit den 1920er Jahren geprägt haben. Von der Teilchenkanone, die den Strahl erzeugt, bis hin zu den Quadrupol- und Dipolmagneten, die seinen Weg formen, erlernst du die wichtigsten Komponenten und ihre Rollen bei der Erzeugung, Beschleunigung und Kontrolle von Teilchenstrahlen. Über ein interaktives virtuelles Bedienfeld passt du die Magnetstärke und die Steuerungswinkel an, um den Strahl zu fokussieren, während du auf einem Diagnostikbildschirm in Echtzeit eine Rückmeldung erhältst und ein Diagramm seine Position und Schärfe anzeigt. Das ist nicht nur Theorie – du sitzt in der ersten Reihe bei der Präzision, die Entdeckungen wie das Higgs-Boson-Teilchen oder Fortschritte in der RNA-Impfstoffforschung am PETRA III von DESY antreibt.

Erfahre, wie diese Grossforschungsanlagen bahnbrechende Forschung in Physik, Materialwissenschaften und darüber hinaus ermöglichen und dabei die Rolle der Künstlichen Intelligenz bei der Revolutionierung von Beschleunigerbetrieb kennenlernen. KI-Techniken, wie beispielsweise Reinforcement Learning, verkürzen die Optimierungszeitenzeiten erheblich – eine Aufgabe, die früher viel Zeit und Aufwand für menschliche Experten erforderte – und schenken den Wissenschaftlern Zeit sich auf neue Entdeckungen zu konzentrieren. Indem du mit einem simulierten Beschleuniger experimentierst, der vom ARES-Linac am DESY inspiriert ist, passt du Parameter an, misst Ergebnisse und reflektierst, wie jede Anpassung die Trajektorie des Strahls beeinflusst, was die realen Herausforderungen widerspiegelt, denen Beschleunigerwissenschaftler gegenüberstehen.

Faszinierende Entdeckungen

Aktivität Forschung mit Beschleunigern auswählen

Die ersten Teilchenbeschleuniger wurden in den 1920er- und 1930er-Jahren gebaut. Sie dienten in allererster Linie zur Untersuchung der Struktur von Materie. Die Physiker wollen mit Hilfe der Teilchenbeschleuniger herausfinden “was die Welt im Innersten zusammenhält”. Hierfür werden geladene Teilchen (Elektronen, Ionen oder Protonen) beschleunigt. Bei Beschuss von Materie mit diesen Teilchen kann man ihren Aufbau verstehen. Heutzutage existieren Teilchenbeschleunigern in allen möglichen Größen (von wenigen Centimetern bis mehreren 10 Kilometern, linear oder rund). Das Deutsche Elektronen Synchrotron (DESY) zählt zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren und DESYs Großbeschleuniger-Röntgenquellen sind international gefragt für ein breites Anwendungsspektrum: PETRA III ist der weltbeste Speicherring für die Erzeugung von Röntgenstrahlung. FLASH liefert ultrakurze Blitze aus „weichem“ Röntgenlicht und ermöglicht einzigartige Experimente. Und der European XFEL mit seinen 3,4km der längste linearer Elektronenbeschleuniger erzeugt die intensivsten Röntgenblitze aller Zeiten. Mehr Informationen auf der DESY Homepage.

Seit ihrer Erfindung haben Teilchenbeschleuniger tiefgreifenden Einfluss auf den Fortschritt menschlichen Wissens durch ihre entscheidende Rolle bei bahnbrechenden wissenschaftlichen Entdeckungen. Ein herausragendes Beispiel ist die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) am CERN im Jahr 2012; die empirischen Beweise für die Existenz des Higgs-Feldes lieferte einen grundlegenden Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik und wurden 2013 mit dem Physik Nobelpreis ausgezeichnet. Beschleuniger sind nicht nur für die Teilchenphysik unverzichtbar, sondern finden auch in vielen anderen Bereichen von Wissenschaft und Technik Anwendung, z.B. bei der Röntgenbildgebung, der Spektroskopie und der Untersuchung ultraschneller Prozesse auf atomarer und molekularer Ebene. Ein aktuelles Beispiel ist die Corona Forschung: Die Röntgenquellen wie am DESY sind perfekte Werkzeuge um die Struktur, Dynamik und Funktion von SARS-CoV-2 zu untersuchen um Medikamente aber auch Impfstoffe gegen Corona zu entwickeln.

Reise durch einen Beschleuniger

Aktivität Die Reise beginnt auswählen

Im Folgenden nehmen wir dich mit auf eine Reise durch einen Beschleuniger im Betrieb (in der Realität sollte man das aufgrund von Strahlung besser nicht tun). Du siehst einen Linearbeschleuniger für Elektronen, inspiriert vom Accelerator Research Experiment bei SINBAD (ARES), einem linearen Elektronenstrahlbeschleuniger am DESY. Du kannst den Beschleuniger von allen Seiten entdecken. Klick dich durch die einzelnen Komponenten, um mehr zu erfahren.
Aktivität Entdecke den Beschleuniger auswählen

Betreibe den Beschleuniger

Aktivität Und war das schwer? auswählen

Das oben gezeigte 3D-Modell ist natürlich eine vereinfachte Darstellung eines Teilchenbeschleunigers und eines Teilchenstrahls. Echte Beschleuniger sind deutlich größer und haben erheblich mehr Komponenten. Während die Visualisierung nur fünf Magnete zeigt, kann ein realer Beschleuniger Hunderte oder sogar Tausende von Magneten besitzen. Zusammen mit anderen Komponenten ist es keine Seltenheit, dass solche Anlagen Zehntausende, wenn nicht Hunderttausende von Steuerparametern aufweisen. Gleichzeitig ist der geladene Teilchenstrahl in der Realität so klein, dass er mit bloßem Auge unsichtbar ist. Mithilfe dieser enormen Anzahl an Steuerparametern muss der winzige Teilchenstrahl über mehrere Kilometer Strahlrohr auf Genauigkeiten von wenigen Zehn Mikrometern kontrolliert werden. Zum Vergleich: Das entspricht etwa dem Versuch, eine Erbse von Hamburg nach München zu werfen und dabei ein Ziel in der Größe einer weiteren Erbse zu treffen. Hinzu kommt, dass Nutzer von Teilchenbeschleunigern immer anspruchsvollere experimentelle Setups verlangen, die eine noch präzisere Kontrolle des Teilchenstrahls erfordern.

KI für Beschleuniger

Aktivität KI Unterstützung auswählen

Während heutzutage menschliche Experten_innen jährlich über 2000 Stunden damit verbringen, diese Steuerparameter zu optimieren, werden nun KI- und maschinelle Lernmethoden erforscht, um die Anforderungen neuer Experimente zu ermöglichen, die Abstimmzeiten zu verkürzen und mehr Zeit für die eigentliche wissenschaftliche Forschung zu schaffen.

Ein Ansatz, der bei DESY untersucht wird, ist das sogenannte Reinforcement Learning (verstärkendes Lernen), bei dem die Optimierung des Beschleunigers als ein Spiel formuliert wird, in dem der KI-Agent dafür belohnt wird, die gewünschten Strahleigenschaften so schnell wie möglich zu erreichen, und bestraft wird, wenn unsichere Betriebszustände erreicht werden. Diese Methode wurde bislang erfolgreich bei einer Abstimmungsaufgabe getestet, die einen Beschleunigerabschnitt mit drei Quadrupolmagneten und zwei Dipolmagneten umfasst – ganz ähnlich wie in der Visualisierung dargestellt. Hier konnte der KI-Agent lernen, die gewünschte Position und den Fokus des Strahls auf dem nachgeschalteten Diagnoseschirm in einem Bruchteil der Zeit zu erreichen, die ein menschlicher Operator benötigen würde. Allerdings benötigt der KI-Agent, ähnlich wie echte menschliche Experten_innen (wahrscheinlich sogar noch mehr), viel Zeit, um überhaupt erst zu lernen, wie der Strahl kontrolliert werden kann. Im genannten Beispiel benötigte der KI-Agent tatsächlich etwa drei Jahre ununterbrochenes Ausprobieren am Beschleuniger, um den Strahl besser zu steuern als menschliche Experten_innen. Diese Zeit steht in einem realen Beschleuniger, wo Strahlzeit eine sehr wertvolle Ressource ist, einfach nicht zur Verfügung. Stattdessen konnte der KI-Agent auf vierzig parallelen Simulationen des Beschleunigers lernen, wobei jede Simulation um fünf Größenordnungen beschleunigt wurde. So war es möglich, dass der KI-Agent in weniger als einer Stunde lernte – und dabei keine Zeit am realen Beschleuniger verbrauchte.

Abschluss

Teilchenbeschleuniger haben einen grossen Nutzen für unsere Gesellschaft im Bereich Grundlagenforschung aber auch für ganz aktuelle und praktische Herausforderungen. Teilchenbeschleuinger sind hoch komplexe Grossgeräte, welche von Experten_innen_ mit langjähriger Erfahrung betrieben werden. Aktuell wird an AI-Unterstützung für den Betrieb geforscht um bessere Präzision und Zuverlässigkeit zu erreichen und dadurch die Leistungsfähigkeit von Beschleunigeranlagen zu steigern und neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu ermöglichen.

Kursthemen