• 03.05.2019
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Jede Sekunde fünfzig Terabit Daten

Nachwuchsforscher Armin Fehr arbeitet an der Uni Bern am Upgrade eines grossen CERN-Experiments

Im Physikalischen Institut der Uni Bern hat Armin Fehr mit seinen Kollegen den künftigen 'Inner Tracker' des ATLAS-Detektors im Massstab 1 zu 1 nachgebaut. In der Röhre links finden die Proton-Proton-Kollisionen statt. Das dunkelrote Feld zeigt eine der Regionen, wo sich die Optoboards befinden werden.
Bild: B. Vogel, CHIPP, Switzerland
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Im Physikalischen Institut der Uni Bern hat Armin Fehr mit seinen Kollegen den künftigen 'Inner Tracker' des ATLAS-Detektors im Massstab 1 zu 1 nachgebaut. In der Röhre links finden die Proton-Proton-Kollisionen statt. Das dunkelrote Feld zeigt eine der Regionen, wo sich die Optoboards befinden werden.
Im Physikalischen Institut der Uni Bern hat Armin Fehr mit seinen Kollegen den künftigen 'Inner Tracker' des ATLAS-Detektors im Massstab 1 zu 1 nachgebaut. In der Röhre links finden die Proton-Proton-Kollisionen statt. Das dunkelrote Feld zeigt eine der Regionen, wo sich die Optoboards befinden werden. (Bild: B. Vogel, CHIPP, Switzerland)

Ab 2026 wird die Leistungsfähigkeit der Grossexperimente am Europäischen Teilchenphysiklabor CERN in Genf markant erhöht. Die Vorarbeiten zum Upgrade des grossen Teilchenbeschleunigers LHC und der vier zugehörigen Detektoren sind zur Zeit in vollem Gang. Einen wichtigen Beitrag leistet die Universität Bern: Dort arbeitet Doktorand Armin Fehr (26) mit Kolleginnen und Kollegen an einer Komponente für den ATLAS-Detektor, die ab 2026 das Auslesen der stark erhöhten Datenraten ermöglichen wird.

Seit 2010 erforschen CERN-Physiker und -Physikerinnen am grossen Beschleunigerring LHC (Large Hadron Collider) die Welt der Elementarteilchen. Eines der vier grossen Experimente am LHC heisst ATLAS. Es besteht aus einem Detektor von der Dimension eines fünfstöckigen Mehrfamilienhauses. Mit dem Riesengerät untersuchen Wissenschaftler die Spuren von Teilchen, die im LHC bei der Kollision von Protonen entstehen, um so die Elementarteilchen besser zu verstehen. Der ATLAS-Detektor ist seit bald einem Jahrzehnt zuverlässig in Betrieb. Die hier gewonnenen Daten haben zur Entdeckung des Higgs-Teilchens geführt, dem bisher jüngsten der 37 bekannten Elementarteilchen.

Der LHC und die zugehörigen Experimente ATLAS, CMS, LHCb und ALICE sind noch längst nicht am Ende. Im Gegenteil: Zurzeit laufen die Vorbereitungen, um den Beschleunigerring und die angeschlossenen Experimente ab dem Jahr 2026 mit einer fünf- bis siebenfach höheren Leistungsfähigkeit (engl. 'high luminosity', kurz: HL) betreiben zu können. Neu werden dann pro Sekunde sieben statt wie bisher eine Milliarde Proton-Proton-Kollisionen erfolgen. Das Update des LHC zum HL-LHC ist ein Grossprojekt, das Teilchenphysiker und Teilchenphysikerinnen rund um den Globus in Atem hält, denn es müssen zahlreiche Komponente der weltgrössten Forschungsanlage für die Zeit nach 2026 fit gemacht werden.

Elektrische Signale werden umgewandelt

Eine Komponente zum neuen ATLAS-Detektor steuern Physiker des Laboratoriums für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern bei. Dort tüftelt ein halbes Dutzend Physiker an den neuen Optoboards. Diese werden im Innern des künftigen ATLAS-Detektors dazu dienen, elektrische Signale in optische Signale umzuwandeln. Die Signalumwandlung ist die Voraussetzung, dass die vom Detektor registrierten Daten aus dem Detektor hinausgelangen können. Elektrische Kabel sind den grossen Datenmengen, die im Detektor anfallen, nicht gewachsen. Daher müssen die elektrischen Daten in Lichtimpulse umgewandelt und per Glasfaserkabel ausgelesen werden. Fünfzig Terabit (50x1012 bit) Daten aus dem neuen ‘Inner Tracker’ (Spurendetektor, einer der Sub-Detektoren des ATLAS-Detektors), müssen von diesen Optoboards pro Sekunde verarbeitet werden. Das ist 5000-mal mehr, als die leistungsfähigsten Router zu Hause bewältigen können. Die Daten werden dann gefiltert und von Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysikern weltweit untersucht.

Einer der Berner Physiker, die am Optoboard System arbeiten, ist Armin Fehr. Auf seinem Arbeitstisch im LHEP-Labor liegt eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatine, von der Glasfaserkabel wegführen. Mit dieser Leiterplatine erforscht und entwickelt Armin Fehr das künftige Auslese-Tool für den neuen 'Inner Tracker'. Mehr als tausend Optoboards müssen bis im Jahr 2024 parat sein. Diese Komponenten werden anschliessend mit weiteren Teilen zusammengebaut und so das neue Herzstück des überarbeiteten ATLAS-Detektors bilden, der 2026 in Betrieb gehen soll.

„Es wird funktionieren!“

Armin Fehr wuchs in der Nähe von Schaffhausen auf. Er studierte an der Universität Bern Physik und Astronomie und spezialisierte sich im Bereich Teilchenphysik. Seit April 2018 schreibt er an seiner Doktorarbeit, die von Prof. Michele Weber betreut wird. Fehr leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Bau der Optoboards für den zukünftigen ATLAS-Detektor.

Am ATLAS-Experiment arbeiten mehrere Tausend Physiker und Ingenieure. Sie alle vertrauen darauf, dass die Komponente aus Bern – wie alle anderen neuen Komponenten des aufgerüsteten Detektors – ab 2026 zuverlässig ihren Dienst tun wird. Setzt diese Erwartung den 26jährigen Doktoranden nicht unter einen gewaltigen Druck? Halb so wild, gibt Fehr zu verstehen, der sich in seiner Freizeit bei Wandern, Tennis und Videospielen von seiner wissenschaftlichen Arbeit erholt. „Das Optoboard hat eine lange Vorgeschichte. Hunderte von Physikern haben an den konzeptionellen und technischen Studien mitgewirkt“, sagt Fehr, um dann selbstsicher anzufügen: „Es wird funktionieren!“

Im beiliegenden Fragebogen gibt Armin Fehr einen Einblick in seine tägliche Arbeit als Physiker.

Im beiliegenden Fragebogen gibt Armin Fehr einen Einblick in seine tägliche Arbeit als Physiker.
Im beiliegenden Fragebogen gibt Armin Fehr einen Einblick in seine tägliche Arbeit als Physiker. (Bild: B. Vogel, CHIPP, Switzerland)
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Im beiliegenden Fragebogen gibt Armin Fehr einen Einblick in seine tägliche Arbeit als Physiker.
Im beiliegenden Fragebogen gibt Armin Fehr einen Einblick in seine tägliche Arbeit als Physiker. (Bild: B. Vogel, CHIPP, Switzerland)

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