Für Studierende der Bachelorstudienangebote «Computational and Data Science» (CDS) und «Artificial Intelligence in Software Engineering» (AISE) ging es im Frühlingssemester '26 an das Paul Scherrer Institut (PSI) in Villingen. Im Zuge des alljährlichen Scientific Field Days besuchten wir eines der bedeutendsten Forschungszentren Europas und das grösste naturwissenschaftliche Forschungsinstitut der Schweiz.
Für unsere Studierende, Dozent:innen und DAViS-Mitarbeitenden bot der Besuch eine seltene Gelegenheit, die physikalische Infrastruktur hinter der datenintensiven Grossforschung unmittelbar zu erleben: Anlagen, die täglich Terabytes an Messdaten erzeugen, hochkomplexe Steuerungs- und Auswertungssysteme erfordern und ohne moderne Datenverarbeitungsarchitekturen schlicht nicht betreibbar wären.
Hier liefern wir einen Einblick in das Forschungszentrum (und das dazugehörige Krankenhaus!), das rund 2'200 Mitarbeitende und 320 Doktorierende beschäftigt. Die Arbeit, die hier betrieben wird, dient in erster Linie der Grundlagenforschung in der Teilchenphysik: Sie testet die Vorhersagen des Standardmodells und untersucht offene Fragen, die dieses Modell bislang nicht erklären kann - allen voran die Zusammensetzung des Universums, das gemäss aktuellen kosmologischen Messungen zu rund 27% aus Dunkler Materie und zu rund 68% aus Dunkler Energie besteht, während «gewöhnliche», sichtbare Materie nur etwa 5% ausmacht. Anders als am CERN, wo primär Teilchen mit hoher Energie kollidieren gelassen werden, sucht das PSI nach Physik jenseits des Standardmodells vor allem über den Nachweis extrem seltener Teilchenzerfälle (etwa im MEG-Experiment, das nach dem im Standardmodell praktisch verbotenen Zerfall eines Myons in ein Elektron und ein Photon sucht).
An erster Stelle: Wer war Paul Scherrer?
Paul Scherrer (1890-1969) war ein Schweizer Physiker und von 1920 bis 1960 Professor für Experimentalphysik an der ETH Zürich, wo er ab 1927 auch das Physikalische Institut leitete. Gemeinsam mit Peter Debye entwickelte er 1916 das sogenannte Debye-Scherrer-Verfahren, eine bis heute gebräuchliche Methode zur Strukturbestimmung von Kristallen mittels Röntgenbeugung. Ab den 1930er-Jahren richtete er sein Institut zunehmend auf die Kernphysik aus, war massgeblich an der Gründung von CERN beteiligt und prägte die schweizerische Atomenergiepolitik der Nachkriegszeit. Das PSI, entstanden 1988 aus der Fusion zweier Vorgängerinstitute, wurde ihm zu Ehren benannt.
Hochstrombeschleunigeranlagen, das Rückgrat des PSI
Unser Besuch begann bei den Hochstrombeschleunigeranlagen, dem zentralen Antrieb nahezu aller Grossexperimente am PSI. Der Hauptbeschleuniger erzeugt mit einer Strahlleistung von über einem Megawatt (1,000,000 Watt) einen der intensivsten kontinuierlichen Protonenstrahlen weltweit.
Die präzise Steuerung von Strahlintensität, -fokus und -timing erfordert Echtzeit-Regelungssysteme mit extrem niedrigen Latenzen («Wartezeiten») sowie das kontinuierliche Monitoring vielzähliger physikalischer Parameter. Für Data Scientists dabei besonders relevant ist, dass die Zustandsüberwachung solcher Anlagen ein klassisches Anwendungsfeld für Anomalie-Erkennung und prädiktive Modellierung ist, bei denen Ausfälle antizipiert werden müssen, bevor sie auftreten. Das am PSI angesiedelte Swiss Data Science Center sucht demnach unter anderem dazu (vor allem aber auch zur Therapie-Wirkungsvorhersage) laufend Student:innen, die Projekte mit Abschluss- oder Doktorarbeiten unterstützen.
PROSCAN: Datengestützte Präzisionsmedizin
Bei PROSCAN, der Protonentherapieanlage des PSI, wird physikalische Präzision unmittelbar lebensrettend. Mittels hochenergetischer Protonenstrahlen können Tumoren millimetergenau bestrahlt werden, wobei der sogenannte Bragg-Peak - das physikalische Phänomen, bei dem Protonen den Grossteil ihrer Energie am Ende ihrer Reichweite abgeben - genutzt wird, um umliegendes gesundes Gewebe zu schonen.
Die Bestrahlungsplanung basiert auf CT- und MRT-Bilddaten sowie komplexen Monte-Carlo-Simulationen zur Dosisberechnung. Aus rechnerischer Perspektive ist PROSCAN ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie medizinische Bildverarbeitung, numerische Simulation und Echtzeit-Strahlsteuerung in einem klinischen System zusammenwirken.
Das PSI gehört zu den Pionieren dieser Technologie und hat seit den 1980er Jahren Tausende von Patient:innen behandelt. Neu wird eine Bestrahlungstherapie für Lungen- und Augenkrebs angewendet, mit der ein Tumor, der sich aufgrund der Atmung oder reaktionsbedingter Augenbewegungen stets bewegt, ebenfalls präzise bestrahlt werden kann.
Diese Technologie wird zudem zur Messung unterschiedlicher Objekte eingesetzt: Indem Protonenstrahlen gezielt auf ein Objekt gerichtet werden und der Abprall gemessen wird, kann die Struktur des Objekts erkannt werden. Die Energie des Abpralls dient ebenfalls als Messwert - beispielsweise wird dies zur Messung von Wassertransport durch Neutronen in Pflanzenwurzeln angewendet.
SINQ - Neutronenstreuung und datenintensive Materialforschung
Die SINQ, die einzige kontinuierlich betriebene Spallations-Neutronenquelle der Welt, war ein weiteres Highlight des Scientific Field Days. Bei der Spallation werden durch den Beschuss eines Blei-Bismut-Targets mit Protonen Neutronen freigesetzt, die anschliessend als Sonden zur Untersuchung der inneren Struktur von Materialien dienen.
Anders als Röntgenstrahlen sind Neutronen besonders sensitiv gegenüber leichten Elementen wie Wasserstoff, was sie für biologische und chemische Fragestellungen unverzichtbar macht. Die dabei anfallenden Streudaten erfordern aufwändige Reduktions- und Analysepipelines. Methoden wie die Fourier-Transformation, Modellfit-Algorithmen und zunehmend auch maschinelles Lernen kommen bei der Auswertung zum Einsatz.
Synchrotron Lichtquelle Schweiz: Big Data aus Röntgenlicht
Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) ist die wohl beeindruckendste Anlage des PSI - sowohl architektonisch als auch in ihrer datentechnischen Dimension. Im ringförmigen Speicherring werden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt; die dabei erzeugte Synchrotron-Strahlung ist um viele Grössenordnungen intensiver als konventionelle Röntgenquellen und deckt ein breites Spektrum von Infrarot bis Röntgenstrahlung ab.
An den verschiedenen Beamlines (hochspezialisierte Messstationen entlang des Rings) entstehen pro Experiment Datensätze im Gigabyte- bis Terabyte-Bereich. Die Herausforderungen der Echtzeit-Datenreduktion, automatisierten Qualitätskontrolle und nachgelagerten Strukturanalyse macht die SLS zu einem natürlichen Anwendungsfeld für High Performance Computing und modernen Machine Learning-Methoden.
Danke, Prof. Thomas Jung und Dr. Meike Stöhr!
Den Abschluss des Scientific Field Day bildete ein Besuch im Labor von Prof. Dr. Thomas Jung, der am PSI die Molecular Nanoscience Gruppe im Labor für Mikro- und Nanotechnologie leitet und gleichzeitig das Nanolab der Universität Basel führt. Seit 2002 forscht Jung an der Manipulation und Charakterisierung von Materie auf atomarer und molekularer Skala. Im Mittelpunkt stehen selbstorganisierte molekulare Strukturen auf Oberflächen sowie die gezielte Kontrolle des physikalischen Zustands einzelner Atome und Moleküle.
Der Scientific Field Day am PSI hat eindrücklich gezeigt, was Grossforschung beinhalten kann. Vor allem lernten unsere Studierende, inwiefern die Daten- und Computerwissenschaft hier eine tragende Rolle spielt. Ob in der Echtzeit-Strahlsteuerung, medizinischen Bildverarbeitung, hochdimensionalen Streudatenanalyse oder atomaren Simulation: An jedem Punkt wurde deutlich, dass die Fähigkeiten, die wir im Studium entwickeln, in der Forschungspraxis unmittelbar gefragt sind.
Wir danken herzlichst unseren Gastgeber:innen Prof. Thomas Jung und Dr. Meike Stöhr, Mathe-Dozentin für CDS und AISE, für ihre Bereitschaft, uns ihren Forschungsbereich und die Welt der Grossforschung etwas näher zu bringen.
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