Greetings! Wie schon andere Köpfe des Monats vor mir, arbeite auch ich am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der österreichischen Akademie der Wissenschaften, und bin dort mit Aufgaben im Rahmen des BELLE Experiments beschäftigt.
Begonnen mit meinem Physikstudium hatte ich eigentlich schon im Jahr 1990, und Laufe der Zeit stellte sich heraus, dass mich die Idee der Simulation, Modellierung und Umsetzung physikalischer Modelle im Computer recht faszinierte, und so entwickelte sich mein Studienschwerpunkt in Richtung computational physics.
Doch die Arbeitswelt hat mich immer wieder für einige Zeit von der TU weggelockt und so haben sich dann Umstände ergeben, die mich von der Unversität weggeführt, und in die IT-Welt der "dotcom Blase" abtauchen haben lassen...
Nach dem abrupten Ende meines langen Ausflugs ins Arbeitsleben durch
- meinen Zivildienst, und
- das Platzen der Blase und damit der Firma meines Arbeitgebers,
war ich entschlossen mir ein Diplomarbeitsthema zu suchen, dass mich nachhaltig interessiert, und so bin ich am HEPHY gelandet.
Diplomarbeit
Meine Diplomarbeit, begann ich im Mai 2002, nachdem ich im Laufe eines Praktikums bereits gute Erfahrungen mit der Hochenergiephysik gemacht hatte, und die gewaltigen Eindrücke der technologischen Synergien in der experimentellen Teilchenphysik am CERN erleben durfte.Nach viel interessanter Arbeit und einem 15 tägigen Aufenthalt in Japan im Oktober 2002, der sehr wichtig für den Know-how Transfer war, wurde ich auch wie geplant nach einem Jahr fertig. Auch die in Japan gesammelten Eindrücke waren recht nachhaltig, und die ausserordentliche Internationalität des Forschungsfeldes Hochenergiephysik bringt immer wieder erfreuliche Reisen mit sich.
 Ein Hydrantenzugangsdeckel in Tokyo's Strassen |  Tokyo bei Nacht |
Das Thema meiner Diplomarbeit war im wesentlichen eine Untersuchung über die mögliche Verbesserung der Spurrekonstruktionsalgorithmen des BELLE Experiments, und das zu benutzende Verfahren ist mathematisch recht ähnlich dem, das mein ehemaliger Kollege Johannes Rindhauser für einen anderen Bereich eingesetzt hat.
Spurrekonstruktion
Also abgesehen von der physikalischen Vorgeschichte der Primär- und Sekundärwechselwirkungen der beteiligten Elementarteilchen in einem Kollisionsexperiment heisst es für die Aufgabe der Spurrekonstruktion: "am Anfang war die Messung".
Und diese Messungen werden durch eine Vielzahl von elektronischen Subsystemen als digitalisierte Daten in eine experimentabhängig grosse Datenbank geschafft.
Und da liegen sie dann... die Messungen, jede einsortiert mit einem Zeitstempel, den entsprechenden Messgrössen, die meist einer Koordinate, oder einem gewissen Signalpegel und den zugehörigen Fehlern entsprechen.
Nach ein paar Nachbearbeitungsschritten und Korrekturen resultiert dann für den Fall der Spurrekonstruktion eine Wolke von Punkten im Volumen des Detektors, in die in recht beliebiger Weise diverse Helixbahnen (für geladenen Teilchen im Magnetfeld ergeben sich solche als Lösungen der Bewegungsgleichungen) reingepasst werden könnten, was ob der Beliebigkeit und Menge an Punkten ein kombinatorisch recht aufwendiges Problem darstellt.
In bisherigen Experimenten war es meist üblich, nun eine extra Bearbeitungsstufe einzuschalten, die sogenannte Mustererkennung, die mit Hilfe von Verfahren bestimmter mathematischer Transformationen, oder neuronalen Netzen die unüberschaubare Schar von Möglichkeiten für Teilchenbahnen auf ein verarbeitbares Mass, mit einem vertretbaren Rechen- und damit Zeitaufwand, und einer akzeptablen Fehlerrate reduziert.
Nach diesem Schritt geht es nun daran, aus den vorhandenen ersten plausiblen Ideen der Mustererkennung darüber, wo denn nun eine Bahn verlaufen sein könnte, auch deren präzise statistische Brauchbarkeit zu bewerten, und bei deren Gegebenheit die bestmögliche Genauigkeit aus allen Informationen rauszuholen, um die Teilchenbahn im Idealfall exakt zu kennen.
Es geht ja hier um statistische Filtertheorie, und die realisiert man in diesem Fall über die Modellierung stochastischer Prozesse mittels Markov Ketten. Die einzelnen Messungen werden in diesem Prozess nach und nach eingebracht und dabei ist es wünschenswert, in einer Weise zu verfahren, die nach Möglichkeit, das Maximum der vorhandenen Messinformationen erhält, dabei aber umsichtig genug ist, um die wenig "glaub"- oder "vertrauenswürdigen" Messungen nicht (oder nicht mit einem starken Einfluss) zu verwenden. Man spricht dann von einem "robusten" oder "robustifizierten" Rekonstruktionsverfahren.
Naja, nach korrekter Modelierung, Linearisierung und Implementierung gibts dann Erfolge in Form von verbesserteren Effizienzen und Genauigkeiten für die angewandten Verfahren zu ernten.
Seit dem Abschluss meiner Diplomarbeit im Juni 2003 bin ich nun mit der Weiterführung der Arbeiten an der Vertexrekonstruktion im Verlaufe meiner Dissertation beschäftigt.
Vertexrekonstruktion
Im Gesamtbild der Rekonstruktion physikalischer Ereignisse ist das nun der Schritt, der der Spurrekonstruktion folgt, und deren Ergebnisse (die Teilchenspuren) in ähnlicher Weise als fehlerbehaftete Messungen verwendet, wie dies mit der erwähnten Messpunktwolke zuvor geschehen ist.
Aus dem Knäuel von Spuren werden mit Hilfe von geometrischen und teilweise auch kinematischen Informationen (also Daten die die Art des Teilchens und dessen Impuls und Energie einbeziehen) die wahrscheinlichsten "Kreuzungspunkte" der Bahnen (aus geometrischer Sicht), bzw. Entstehungs- und Zerfallspunkte der Teilchen (aus physikalisch-kinematischer Sicht) bestimmt und deren Positionsgenauigkeit berechnet. Im Bild nebenan zu sehen ist Visualisierung eines rekonstruierten Vertex aus zusammenlaufenden Spuren. In gelb die Fehlerellipse der Standardmethode, in blau der kleinere Fehler der robusten Methode.
An dieser Stelle ist das erreicht, was schliesslich den eigentlichen physikalischen Fragestellungen die weiteren Überlegungen und Antworten erlaubt.
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