London – Teilchenbeschleuniger müssen nicht unbedingt kilometerlang sein, um hochpräzise zu arbeiten. Denn Forscher am Imperial College London automatisieren den Betrieb, indem sie die Steuerung einer Software überlassen, die mithilfe maschinellen Lernens und Künstlicher Intelligenz (KI) darauf getrimmt ist, den Betrieb zu perfektionieren.
Meter statt Kilometer
Der neue Ansatz könnte die Tür für eine weite Verbreitung derartiger Geräte öffnen. Die Strahlen liessen sich nutzen, um die Struktur neuer Werkstoffe und Katalysatoren zu ergründen, das Innere lebender Zellen sichtbar zu machen und Krebs zu bekämpfen. Mit den heute genutzten Beschleunigern, die alles andere als klein sind, ist das nur begrenzt möglich, weil Experimentierzeiten rar sind und es nicht viele Geräte gibt. Wenn sie aber so klein sind, dass sie in jedes Krankenhaus und Labor passen, liessen sie sich für viele Anwendungen nutzen, heisst es.
In konventionellen Beschleunigern werden die Teilchen, Elektronen und Protonen beispielsweise, in langen Vakuumröhren von supraleitenden Magneten auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Der Laufweg kann damit schnell mehrere Kilometer lang sein. Am Ende werden die rasenden Partikel direkt für Experimente genutzt. Elektronen lassen sich, indem sie in Kurven gezwungen werden, dafür nutzen, Röntgenstrahlen zu erzeugen.
KI übernimmt Steuerung
Beim sogenannten Wakefield-Beschleuniger funktioniert es anders. Ein kurzer energiereicher Laserpuls wird in ein Plasma geschossen. Der Puls verjagt die Elektronen, während die vielfach schwereren Atomkerne unbeeinflusst bleiben. Es bildet sich eine elektronenfreie Blase, in die mit Macht andere Elektronen einströmen. Sie reissen andere mit sich, sodass sich ein Elektronenfluss bildet, der eine sehr hohe Geschwindigkeit hat, ähnlich der am Ende der Vakuumröhre eines konventionellen Beschleunigers. Die Elektronen lassen sich direkt oder zur Erzeugung von Röntgenstrahlen nutzen.
Das funktioniert allerdings nur, wenn alles genau aufeinander abgestimmt ist. Die Energie und die Pulsdauer des Lasers müssen stimmen, ebenso die Zusammensetzung des Plasmas und alle anderen Parameter, die den Betrieb beeinflussen. Weil Menschen hier überfordert sind, übernimmt künftig die Software, so der Plan der britischen Teilchenwissenschaftler. (pte/mc/ps)
