26.03.2019

Gesucht: Antimaterie

Erfolgreicher Start des neuen Belle II-Detektors in Japan.

Seit dieser Woche misst das Belle II-Experiment die ersten Teilchen­kollisionen, die im japanischen SuperKEKB-Beschleuniger erzeugt werden. Das komplett moder­nisierte und umgerüstete Duo soll fünfzigmal mehr Kollisionen produzieren als seine Vorgänger. Mit dem enormen Zuwachs an auswertbaren Daten steigen die Chancen, die Ursache für das Materie-Antimaterie-Ungleich­gewicht im Universum zu finden.

Abb.: Der Pixel-Vertex-Detektor in der Mitte ist etwa so groß wie eine...
Abb.: Der Pixel-Vertex-Detektor in der Mitte ist etwa so groß wie eine Getränkedose und sitzt ganz innen im Belle II-Experiment. Dort werden Teilchenspuren mit höchster Präzision aufgezeichnet. (Bild: Belle II / KEK)

Im Belle II-Experiment werden Elektronen und Positronen zur Kollision gebracht. Dabei entstehen B-Mesonen, Paare aus einem Quark und einem Anti-Quark. In früheren Experimenten – Belle und BaBar – konnten Wissenschaftler beobachten, dass der Zerfall von B-Mesonen und Anti-B-Mesonen unter­schiedlich verläuft. Diese CP-Verletzung bietet einen Anhaltspunkt für die Frage, warum das Universum kaum Anti­materie enthält – obwohl nach dem Urknall beide Materieformen zu gleichen Teilen vorhanden gewesen sein müssen.

„Allerdings ist die beobachtete Asymmetrie zu klein, um das Fehlen der Anti­materie zu erklären“, sagt Hans-Günther Moser vom Max-Planck-Institut für Physik. „Wir suchen daher nach einem stärkeren, bisher unbekannten Mechanismus, der die Grenzen des heute gültigen Standard­modells der Teilchen­physik sprengen würde. Um diese neue Physik zu finden und statistisch zu belegen, müssen Physiker allerdings viel mehr Daten als bisher erheben und auswerten.“

Um diese Aufgabe zu bewältigen, wurden der frühere KEK-Beschleuniger und Belle – Laufzeit 1999 bis 2010 – komplett modernisiert. Sie firmieren jetzt unter den Namen Belle II und SuperKEKB. Die wesentliche Neuerung ist die vierzigfach gesteigerte Luminosität, die Anzahl der Teilchen­kollisionen pro Zeit und Flächeneinheit. Dafür haben Wissenschaftler und Techniker den Querschnitt des Teilchen­strahls stark verkleinert; zugleich lässt sich die Anzahl der eingeschossenen Teilchen­pakete verdoppeln. Die Wahrschein­lichkeit, dass die Teilchen tatsächlich aufeinander­treffen steigt damit erheblich. Wissenschaftler können so künftig die fünfzigfache Datenmenge auswerten.

Allerdings stellt das Plus an Daten hohe Anforderungen an die Analyse­qualität des Detektors. Nach der Teilchen­kollision zerfallen die B-Mesonen auf einer mittleren Flugstrecke von nur einem Zehntel Millimetern – die Detektoren müssen also sehr schnell und präzise arbeiten. Dafür sorgt ein hoch­sensibler Pixel-Vertex-Detektor, der zu großen Teilen am Max-Planck-Institut für Physik und dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt und gebaut wurde. Insgesamt hat der Detektor acht Millionen Pixel und liefert 50.000 Bilder pro Sekunde. 

„Im Pixel-Vertex-Detektor sind einige spezielle Technologien verbaut“, erklärt Moser. „Wenn neue Teilchen­pakete in SuperKEKB eingespeist werden, die anfangs sehr großen Untergrund erzeugen, können wir den Detektor für etwa eine Mikrosekunde blind schalten. Auf diese Weise lassen sich nicht-relevante Signale ausblenden.“ Außerdem sind die Sensoren des Detektors mit 75 Mikrometern lediglich so dünn wie ein menschliches Haar. Damit wollen die Physiker vermeiden, dass die Teilchen beim Durchgang durch Materie gestreut werden.

Mit dem Erreichen des Mess­betriebs geht ein großes Bauprojekt zu Ende. Neun Jahre lang haben Wissenschaftler, Ingenieure am Umbau und der Modernisierung gearbeitet. Der jetzt gestartete erste Run dauert bis zum 1. Juli 2019. Nach einer kurzen Wartungs­pause laufen SuperKEKB und Belle II dann im Oktober 2019 wieder an.

MPP / JOL

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