Erstes Durchführung des “ETP Blockpraktikum: Data Science”

Einen Detektor entwerfen und seine Signale mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) analysieren - das ist die Herausforderung, der sich die Studierenden in diesem allerersten ETP-Blockpraktikum stellten, das von Dr. Jan Kieseler im Rahmen der forschungsorientierten Lehre organisiert und geleitet wurde.
Zum Team gehörten auch die Doktoranden Isabel Haide, Lars Sowa und Artur Monsch vom ETP, die bei der Vorbereitung und Betreuung des praktischen Teils der Veranstaltung halfen.

Nach zwei Wochen vorbereitender Übungen trafen sich die Studierenden im Physikgebäude. Ausgestattet mit ihren Laptops machten sie sich daran, ihr erstes Kalorimeter mit Geant4 zu simulieren, der gleichen hochmodernen Software, die auch bei den CERN-Experimenten zum Einsatz kommt. Ihr wichtigstes Werkzeug? Ein einfacher Browser, denn die Übungen wurden auf Jupyter-Notebooks durchgeführt, die auf vom SCC bereitgestellten Rechnern liefen.

In der ersten Phase ging es um elektromagnetische Teilchenschauer, die von Photonen oder Elektronen ausgehen. Die Studierenden beschäftigten sich mit verschiedenen Kalorimeterkonzepten und untersuchten beispielsweise die optimale Tiefe, um auch die Energie von hochenergetischen Teilchen vollständig zu absorbieren. Die Schauerenergien wurden sowohl mit klassischen Methoden als auch mit tiefen neuronalen Netzen bestimmt, um die Auflösung zu verbessern. Die Detektoren waren nun bereit für eine fortgeschrittene Herausforderung: Sie wurden hadronischen Schauern ausgesetzt, was eine Neubewertung der Designansätze zur Folge hatte. Darüber hinaus wurden die neuronalen Netze auf anspruchsvollere Faltungssysteme umgestellt, die auch für komplexe Computer-Vision-Aufgaben verwendet werden.

Schließlich wurde alles, was in den Vorlesungen, Gruppendialogen und praktischen Erfahrungen gelernt wurde, einem ultimativen Test unterzogen: ein Wettbewerb zwischen den Gruppen, bei dem es darum ging, den besten Detektor und den besten Algorithmus zu bauen, um die Energie von Hadronen und Photonen gleichzeitig zu messen. Zur realistischeren Gestaltung des Wettbewerbs wurden Beschränkungen hinsichtlich der Größe des Detektors, der Materialkosten und der Gesamtzahl der Auslesekanäle festgelegt. Es war ein harter Wettbewerb, aus dem das Team "T für Technik" als Sieger hervorging und ein Kartenspiel mit berühmten Physikern des CERN gewann. Dieser Preis wurde während des abschließenden Teils des Kurses verliehen, einem Diskussionsforum, in dem jede Gruppe ihre Entwürfe präsentierte und die unterschiedlichen Ansätze verglichen werden konnten.

Alles in allem war es eine intensive, unterhaltsame und sehr lohnende Woche - wir freuen uns schon auf das nächste Mal!

Kontakt: Dr. Jan Kieseler, Prof. Markus Klute, Prof. Torben Ferber