Der Herr der Daten

Wer die Natur ergründen will, darf sich nicht vor Big Data fürchten. Kaum jemand weiss das so gut wie Stefan Ritt. Der Leiter der PSI-Forschungsgruppe Myonenphysik hat es mit sehr vielen Daten zu tun: «In der zweiten Ausbauphase des Mu3e-Experiments wollen wir pro Sekunde zwei Milliarden Myonenzerfälle messen. Das sind 200 Gigabyte pro Sekunde, eine normale Festplatte ist da in weniger als einer Minute voll.» 

Stefan Ritt und sein Team suchen in den Datenbergen nach Reaktionen, die es eigentlich gar nicht geben dürfte – jedenfalls nichtnach dem Standardmodell der Teilchenphysik. Doch längst deutet vieles darauf hin, dass dieses nicht die ganze Geschichte erzählt. Können die Forschenden belegen, dass es den «Mu3e»-Zerfall, also den Übergang eines Myons in zwei Positronen und ein Elektron, tatsächlich gibt, würden sie ein Tor zu einem Schattenreich unbekannter Physik aufstossen. Vielleicht kommen sie dann auch der Antwort auf die Frage näher, woraus ein Viertel der Materie im Universum, die wir nur als Dunkle Materie kennen, eigentlich besteht.

Zweihundert Cheopspyramiden und eine Nadel

Doch bevor sie Myonen beim Zerfallen zusehen können, müssen sie die flüchtigen Teilchen erst einmal herstellen – in grossen Mengen und am laufenden Band. Am PSI geschieht das an der Schweizer Myonenquelle SμS (gesprochen: es-mü-es) und der Schweizer Forschungsinfrastruktur für Teilchenphysik CHRISP: Protonen, also Wasserstoffkerne, prallen dort mit hoher Wucht auf sogenannte Targets. Dabei entstehen die Myonen, die im Grunde schwere Verwandte der Elektronen sind. Die Elementarteilchen leben gerade lange genug, um sie mithilfe von Magneten in Messapparaturen zu lenken, wo Physiker sie stoppen und ihre Zerfälle beobachten können. 

Rund hundert Millionen Myonen produziert die PSI-Anlage derzeit pro Sekunde für ein einzelnes Experiment. Das macht sie zur stärksten kontinuierlichen Myonenquelle der Welt. Doch unter einer Billiarde «erlaubter» Zerfälle sollte gerade einmal ein einziger Mu3e-Zerfall auftauchen: «Das Bild von der Nadel im Heuhaufen trifft es da nicht mehr», meint Ritt. «Es sei denn, man kann sich einen Heuhaufen der Grösse von zweihundert Cheopspyramiden vorstellen.» 

MIDAS – eines für alles

Für solche Datenmengen braucht es nicht nur leistungsfähige Anlagen, sondern auch die richtige Software – und die hat Stefan Ritt als junger Physiker am PSI gleich selbst entwickelt: MIDAS, das «Maximum Integration Data Acquisition System». «Bei der Software, die uns damals zur Verfügung stand, liefen teilweise vier oder fünf Systeme parallel», erinnert sich Ritt. «Das gefiel mir nicht. Ich wollte etwas haben, das alle Daten in eine einzige Datenbank vereint.» 

Eines für alles, das ist die Idee von MIDAS. Bereits 1996 war die erste Version fertig. Gesteuert wurde sie noch über Kommandozeilen, heute funktioniert alles über moderne grafische Oberflächen und sogar via Smartphone. MIDAS läuft hardwareunabhängig auf allen gängigen Betriebssystemen. Das ist auch der Hauptgrund, weshalb es nach 30 Jahren noch immer weit über das PSI hinaus genutzt wird. Die Software läuft an Forschungszentren in Europa, Japan und Amerika. «MIDAS ist so stabil, dass monatelang Hunderte Megabyte pro Sekunde durch Dutzende von Rechnern laufen können, ohne dass das Programm jemals abstürzt.»

Zusätzlich ist die Software ausserordentlich flexibel. Rund 300 Zeilen Programmcode genügen, um MIDAS an ein neues Experiment anzupassen – die restlichen 300 000 Zeilen bleiben gleich.

«Die Natur verstehen und berechnen zu können, finde ich cool!»

Elektronik und Software liegen Stefan Ritt im Blut. Sein Vater, ein Elektrotechniker, brachte ihm schon als Kind das Löten bei. Als Schüler entwickelte er einmal gemeinsam mit einem Freund eine Mikrocomputersteuerung für Teleskope, lange bevor das zum Standard unter Hobbyastronomen wurde. Dass er sich statt für eine Karriere als Softwareingenieur für ein Physikstudium an der Universität Karlsruhe entschied, erklärt er so: «Ein Lehrer zeigte uns einmal, wie man über die Berechnung von Federkraft und Parabelbahn eine Metallkugel auf Anhieb in ein Wasserglas schiessen kann. Man kann die Natur also verstehen und man kann Sachen berechnen, die dann tatsächlich so stattfinden. Das fand ich cool.»

Zur Teilchenphysik brachte ihn sein Professor in Karlsruhe. Bei einem Praktikum lernte er 1988 das PSI kennen. Dort beschäftigte er sich zum ersten Mal mit der Datenerfassung eines modernen Experiments. «Da hat alles angefangen: Die Kombination aus Grundlagenforschung und Technik, Elektronik- und Softwareentwicklung, und das bei Experimenten, die wirklich ‘cutting edge’ sind.» 

Der Reiz der «verbotenen» Physik

Eines dieser Experimente befasste sich wie Mu3e mit einem «verbotenen» Myonenzerfall, der nach dem Standardmodell gar nicht existieren dürfte. Im MEG-Experiment suchten Ritt und sein Team nach dem exotischen Zerfall eines Myons in ein Elektron und ein Lichtteilchen. Gefunden haben sie ihn nicht, dafür aber die bislang genauste Messung erzielt. «Nach fünfzehn Jahren können wir viele neue Theorien, die über das Standardmodell hinausgehen, ausschliessen. Wir messen also nicht einfach nur «Null», sondern eine wichtige untere Schwelle.»

Das Nachfolgeexperiment Mu3e wird seit 2012 aufgebaut. Ab Herbst rechnet Ritt mit den ersten Daten. Voraussichtlich Ende 2027 wird das Experiment dann erst einmal abgeschaltet – dann beginnt das PSI-Grossprojekt IMPACT. Über zwei Jahre hinweg sollen zwei neue Targetstationen entstehen, die einen Myonenstrahl mit einer um den Faktor zehn höheren Rate erzeugen. 

Hinzu kommt der Anfang des Jahres gestartete Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) Muoniverse unter Leitung des PSI. In den kommenden Jahren entsteht dafür weitere Infrastruktur, mit der Myonen etwa für Materialuntersuchungen, die Entwicklung neuer Quantenmaterialien oder sogar in der Archäologie eingesetzt werden können. IMPACT und Muoniverse werden die führende Rolle des PSI in der Myonenphysik damit für viele Jahre sichern. Und natürlich wird bei all dem Stefan Ritts Software MIDAS eine zentrale Rolle spielen: «Viele Unterprojekte in Muoniverse brauchen Datenerfassung, deshalb berate ich alle Gruppen und liefere auch direkte Unterstützung.»

Auf die Frage, wie er mit der Unterstützung eines kleinen Teams diese einzigartige Software über 30 Jahre hinweg immer weiter entwickeln konnte, ohne den Antrieb zu verlieren, hat der Physiker eine klare Antwort parat: «Dank der Experimente. Zu wissen, dass meine Software unserem Team am PSI, aber auch Kolleginnen und Kollegen weltweit hilft, bessere Physik zu machen und zu wichtigen Erkenntnissen zu kommen, das ist der wichtigste Lohn!»