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Die Vermessung der Gleichzeitigkeit
Was macht ein Physiker, wenn sein Experiment eine hochgenaue Zeiterfassung benötigt? So genau, dass bestehende Elektronik kaum weiterhilft? Stefan Ritt hat sich kurzerhand entschlossen, selbst eine Lösung zu entwickeln. Die heisst DRS4 und ist ein hochpräziser Elektronikchip, der die Physik unseres gesamten Universums entschlüsseln könnte. Nebenbei hilft der Chip schon heute Ärzten, Hirntumore genauestens zu lokalisieren.
Wie lange dauert ein Augenblick? Was genau ist das
Jetzt? Woran entscheidet sich, ob zwei Ereignisse zeitgleich geschehen? Stefan Ritt hat für diese Fragen eine pragmatische Antwort festgelegt: Er stückelt die Zeit in Einheiten von je einer billionstel Sekunde.
Gleichzeitig bedeutet für ihn demnach: innerhalb derselben billionstel Sekunde.
Mit dieser Definition hat der Physiker am PSI keineswegs Scharen von Philosophen und Psychologen ihrer Aufgabe beraubt. Diese Bestimmung von Gleichzeitigkeit gilt lediglich für seinen Elektronikchip.
Stefan Ritt ist Physiker und Forschungsgruppenleiter am PSI, aber die rechte Hälfte seines Büros sieht aus wie eine Elektronikwerkstatt. Er bezeichnet sich als Hobby-Elektroniker, und als er bei seinem Experiment ein Problem mit der Elektronik hatte, habe er sich selbst daran gesetzt, die Lösung zu finden.
Millionen Myonen für universelle Fragen
Das betreffende Experiment handelt von exotischen Elementarteilchen namens Myonen. Myonen zerfallen, kaum dass sie entstanden sind, in drei andere, mehr oder weniger exotische Teilchen: ein Elektron, ein Myonneutrino und ein Anti-Elektronneutrino. Nach manchen physikalischen Theorien jedoch gibt es noch einen weiteren Zerfallsweg, auch wenn dieser extrem selten vorkommen soll: Ein Myon würde dann in genau ein Elektron und ein Lichtteilchen zerfallen. Seit Jahren suchen die Physiker am PSI nach diesem einen Zerfall, das heisst, nach den Produkten: passenden Paaren von einem Elektron und einem Lichtteilchen. Sie wollen entscheiden, ob der Zerfall nur sehr selten oder gänzlich unmöglich ist.
Für die Forschungsgemeinde ist dieses Myonen-Experiment ein Schiedsrichter: Sollte es diesen Zerfall geben, so bekäme damit eine Familie von physikalischen Theorie recht; gäbe es ihn überhaupt nicht, würde dies eine andere Denkrichtung bestätigen. Und das hat weitreichende Konsequenzen, denn die betreffenden Theorien beschreiben nichts weniger als unser gesamtes Universum.
30 Millionen Myonenzerfälle pro Sekunde: Das ist die Zahl der Ereignisse, die Ritt und seine Kollegen vermessen, wenn ihr Experiment läuft. Nur durch diese ungeheure Masse lässt sich die feine Trennlinie zwischen
extrem selten und
ganz unmöglich immer besser ziehen. Der Vergleich mit der Nadel im Heuhaufen drängt sich auf – mit dem Zusatz, dass niemand weiss, ob es überhaupt eine Nadel gibt.
Das Paar in der Menge
Die Forschenden müssen also alle Tricks anwenden, die ihnen zur Verfügung stehen. Dabei nutzen sie die besondere Paarung von Elektron und Lichtteilchen aus. Stefan Ritt hat deshalb einen besseren Vergleich als den Heuhaufen:
Unsere Daten sind wie eine wuselnde Menschenmenge. Und wir suchen darin das eine Pärchen, das händchenhaltend gemeinsam unterwegs ist.
Wobei
gemeinsam unterwegs im übertragenen Sinne zu verstehen ist. Tatsächlich würden die beiden Produkte des Zerfalls nämlich genau gegenläufig davonschwirren. Das ist also der erste Trick: Die Physiker suchen nach einem Elektron und einem Lichtteilchen, die räumlich genau gegenüberliegend auf die Detektoren ihres gross angelegten Experiments treffen. Der zweite Trick: Diese beiden Produkte müssen jeweils genau die Hälfte der Energie des ursprünglichen Myons aufweisen. Und schliesslich Trick Nummer drei: Nur wenn Elektron und Lichtteilchen genau gleichzeitig detektiert werden, könnten sie zusammengehören.
Hier kommt also Ritts Definition von Gleichzeitigkeit ins Spiel und die billionstel Sekunde. Natürlich übernimmt letztendlich ein Computer die Auswertung der Daten und eine Software entscheidet über diese Gleichzeitigkeit. Aber dafür müssen die Daten erst einmal in den Computer gelangen.
Denn das Experiment liefert analoge Daten. Computer dagegen können nur mit digitalen Daten etwas anfangen. Heutzutage benötigt beinahe jedes physikalische Experiment einen Analog-digital-Übersetzer; Techniker sprechen von einem A/D-Wandler. Normalerweise genügt hierfür eine Standard-Lösung, beispielsweise in Form eines Oszilloskops, und kaum ein Forschender muss sich über diesen Baustein in seinem Experiment Gedanken machen.
Rechts tüftelt er, links plant er
Nicht so bei Ritts Myonen-Experiment. 30 Millionen Myonenzerfälle pro Sekunde und eine zeitliche Genauigkeit von einer billionstel Sekunde – eine Elektronik von der Stange wäre hier gänzlich überfordert.
Uns war von Anfang an klar: Wir müssen da etwas Spezielles entwickeln, das es zuvor noch nicht gab, sagt Ritt.
Und so kam es, dass Ritt im Jahr 2003 den Elektronikern am PSI über die Schulter schaute und sich in der Hälfte seines Büros Platinen und Steckgehäuse, Elektronikbauteile und Lötkolben ansammelten. Nun steht man in der Mitte wie zwischen zwei Gehirnhälften: Rechts wird getüftelt, links am Schreibtisch gebrütet.
Nach mehreren Jahren Entwicklung ist das Ergebnis nun ein Elektronikchip mit dem Namen DRS4. Dieses elektronische Bauteil ist knapp ein mal ein Zentimeter gross und flach. Wenn man die üblichen A/D-Wandler als Übersetzer zwischen dem Experiment und dem Computer bezeichnen kann, dann ist der DRS4 ein multipler Simultanübersetzer bei der Weltmeisterschaft im Schnellsprechen: Auf acht Kanälen gleichzeitig verarbeitet jeder Chip eine extrem schnelle Abfolge von Daten. Da im Myonen-Experiment mehrere tausend Detektoren eingesetzt sind, braucht es mehrere Hundert dieser Chips.
Kurz gesagt tastet der Chip jedes Teilchen-Signal ab und findet seine genaue zeitliche Position. Letztere kann somit auf eine billionstel Sekunde exakt bestimmt werden. Eine technische Meisterleistung. Stefan Ritt drückt es sachlicher aus:
Ich kenne keinen anderen Elektronikchip auf der Welt, der eine so präzise Zeiterfassung schafft.
Auch ein weltweiter Berufsverband der Ingenieure, das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), wurde auf den DRS-Chip aufmerksam und verlieh Stefan Ritt kürzlich eine hohe Auszeichnung.
Per Zeiterfassung Hirntumore orten
Die hochpräzise Zeiterfassung macht den Chip auch für ganz andere Wissenschaftler interessant. Auf internationalen Konferenzen stellte Ritt im Gespräch mit Kollegen aus fremden Fachbereichen fest:
Oh, die haben ja genau das gleiche Problem wie ich. Inzwischen verschickt das PSI den DRS4 in die ganze Welt. Eine medizinische Forschergruppe in Tübingen beispielsweise nutzt den Chip, um Hirntumore möglichst genau zu lokalisieren: Bei der sogenannten Positronen-Emissions-Tomografie wird der Kopf des Patienten in einen Ring von Detektoren gelegt. Diese registrieren die Zerfallsteilchen eines radioaktiven Materials, das in die Tumorzellen eingeschleust wurde. Kommt nun bei einem Detektor oben im Ring ein Teilchen eher an als unten im Ring das dazugehörige, so muss der Tumor oberhalb der Ringmitte sitzen. Um den Tumor dabei präzise zu lokalisieren, braucht es die exakte Zeiterfassung von Ritts Chip.
Der Verkauf des Elektronikchips läuft über das Technologietransfer-Programm des PSI zum Selbstkostenpreis. Das ist ganz im Sinne von Ritt, der ein Verfechter von Open Source auf allen Ebenen ist; das Software-Programm, das er für die Platine geschrieben hat, gibt es selbstverständlich kostenlos dazu.
Ein Elektroniker klopft und kommt in Stefan Ritts Büro. Die Programmierung der Platine hänge an einer Stelle, er selber wisse gerade nicht weiter.
Kein Problem, sagt Ritt.
Leg’s da hin, ich schau’s mir gleich an.
Physiker, Elektroniker, Programmierer – ganz klar: Nur als Forschungsgruppenleiter wäre dieser Mann nicht ausgelastet.
Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann
Das Prinzip der DominosteineDie technischen Details seines Elektronikchips erläutert Ritt mit Dominosteinen: Der Name DRS steht nicht umsonst für
Domino Ring Sampler. Jeder Detektor liefert dem Chip ein konstantes elektrisches Signal. Trifft ein Teilchen auf den Detektor, bekommt diese Signalkurve einen entsprechenden Berg. Die zeitliche Position dieses Peaks exakt zu bestimmen, das ist die Aufgabe des Chips und der zugehörigen Platine.
Hierfür wird im Chip der Output jedes Detektors kontinuierlich in 1024 Zeitabschnitte gestückelt. Die zugehörigen Messpunkte werden in 1024 Speicherzellen auf dem Chip geschrieben. Technisch sind diese Speicherzellen Kondensatoren, aber Ritt spricht der Einfachheit halber von 1024 kleinen Eimerchen, in die die Information gefüllt wird. Um die Eimer zu füllen, muss jeweils ein zugehöriger Schalter umgelegt werden.
Das Problem ist die Datenflut des Experiments, weshalb diese Eimerchen extrem schnell gefüllt werden müssen. Darum hat Ritt auf dem Chip eine virtuelle Dominoreihe angelegt. Jeder fallende Dominostein bedient einen Schalter zum Befüllen eines Eimers, stösst gleichzeitig den nächsten Stein an, der wiederum den zugehörigen Schalter umlegt und so weiter. Zudem stehen die Dominosteine im Kreis. So werden alle 1024 Eimerchen immer wieder von vorne neu befüllt, ihre Information also in einer Endlosschleife aktualisiert. Daher die Bezeichnung
Ring Sampler.
Trifft nun ein Elektron oder Lichtteilchen auf den Detektor, muss nur die Domino-Kette gestoppt werden – und schon ist das Signal des Detektors auf die Eimerchen verteilt und gebannt. Schneller geht es kaum.
Aus diesen Eimerchen kann die Information nun langsam und entspannt ausgelesen werden. Die auf die 1024 Eimerchen verteilte, also aus 1024 Speicherpunkten bestehende Messkurve wird an die elektrische Platine weitergegeben, auf der der Chip sitzt. Diese Platine hat etwa die Grösse eines Taschenbuchs, ersetzt jedoch den Forschenden ein schuhkartongrosses und vor allem teures Oszilloskop. Die Platine selbst ist im weiteren Verlauf dafür zuständig, die analogen in digitale Daten umzuwandeln und das digitale Signal an den Computer weiterzugeben. Hier werden die finalen Berechnungen angestellt. Die dafür benötigte Software hat Stefan Ritt selbst programmiert.