04.08.2023

Pixel-Vertex-Detektor in Belle II-Experiment installiert

Neue Erkenntnisse zum Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum erwartet.

Der Pixel Vertex Detektor (PXD) bildet mit der Größe von gerade einmal einer Getränkedose die innerste Detektorlage des inter­nationalen Belle II-Experiments. Jetzt wurde er an seinem Bestimmungsort, dem SuperKEKB Elektron-Positron Beschleuniger in Japan, installiert. Das ultra­sensitive Gerät wurde an den deutschen Belle II-Instituten entwickelt. Der kleine PXD ist speziell für das Aufspüren bestimmter Teilchen­zerfälle konzipiert, die Licht in das große Rätsel um das Ungleich­gewicht von Materie und Antimaterie im Universum bringen sollen.

Abb.: Der Pixel-Vertex-Detektor, der hier um das Strahlrohr des...
Abb.: Der Pixel-Vertex-Detektor, der hier um das Strahlrohr des SuperKEKB-Beschleunigers in Japan installiert ist, ist nur etwa so groß wie eine Getränkedose, besteht aber aus 20 Strängen von 75 Mikrometer dünnen Silizium­modulen. (Bild: KEK)

Der Pixel-Vertex-Detektor umgibt das Strahlrohr und liegt nur 1,4 Zentimeter vom Kollisionspunkt (Vertex) entfernt. Damit lässt sich der genaue Zerfallsort kurz­lebiger Teilchen akkurat bestimmen. Der PXD besteht aus zwanzig Pixeldetektoren – 75 Mikrometer dünnen Siliziummodulen. Der neue Detektor basiert auf der am Max Planck-Halbleiterlabor entwickelten DEPFET-Technologie. Sie liefert bis zu 50.000 hoch­aufgelöste Bilder pro Sekunde. Aufgezeichnet werden Zerfalls­produkte von B-Mesonen, die entstehen, wenn Elektronen und Positronen im SuperKEKB-Beschleuniger kollidieren.

„Das B-Mesonen System ist ein ideales Versuchsfeld um eine der funda­mentalen Symmetrien der Natur zu studieren: Die Verletzung der CP-Symmetrie ist eine von drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen um zu erklären, warum unser heutiges Universum fast vollständig aus Materie besteht“, erklärt der Desy-Wissen­schaftler und PXD-Projekt­leiter Carsten Niebuhr. „Die hohe Präzision des Belle II-Detektors bietet in Kombination mit der großen Anzahl an Elektron-Positron-Kollisionen am SuperKEKB einzigartige Möglichkeiten, die CP-Verletzung und andere interessante Phänomene in viel höherem Detail zu untersuchen.“

Allerdings sind die Zerfallsprodukte der B-Meson-Zerfälle relativ nieder­energetisch und werden in ihrem Durchgang durch die Materie leicht gestört. Daher müssen die ersten Detektor­elemente des Belle II-Detektors so dünn wie möglich sein, so dass der PXD besonders fragil und extrem empfindlich in der Handhabung ist. „Wir sind sehr stolz darauf, dass die Münchner Gruppen wesentliche Teile des Detektorkonzepts und der Entwicklung beigesteuert haben“, sagt Hans-Günther Moser, Leiter der Belle II-Gruppe am MPP. „Mithilfe der DEPFET-Technologie kommen im Belle II-Experiment hochkomplexe und ultra­sensitive Sensoren zum Einsatz, die auch in Satelliten­experimenten eingesetzt werden. Diese Technologie unterstreicht die weltweit einzigartige Kompetenz des Halbleiter­labors für Strahlungs­detektoren.“

Bereits 2018 wurde eine erste, noch unvollständige Version des PXD im Belle II Detektor installiert und hat bereits wertvolle Resultate geliefert. Aber erst die neue und vollständige Version ist in der Lage mit der hohen Luminosität umzugehen, die in den nächsten Jahren im SuperKEKB erreicht werden soll. Der Transport nach Japan war aufwendig: Zunächst musste der empfindliche Detektor über normale Verkehrsstraßen von seinem Montageort am Max-Planck-Institut für Physik in München zum Desy überführt werden, um dort kritische Funktionsprüfungen und Optimierungen der Detektor­parameter vornehmen zu können.

Nach der erfolgreichen Testphase, wurde der neu montierte Detektor auf seine nächste Reise nach Japan geschickt. Die Flugreise wartete mit neuen Heraus­forderungen auf; unerwartete Turbulenzen und unsachgemäße Lagerung während des Transits hätten leicht einen der empfindlichen und unbezahlbaren Silizium­sensoren zerbrechen können. Um gegen solche Gefahren gewappnet zu sein und Vibrationen auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, wurde der Detektor von dem Team speziell verpackt. Der PXD reiste in der Business-Class und bekam so genug Platz auf einem eigenen Sitz, während das Team ihn die ganze Reise über beaufsichtigen konnte.

„Die Installation und Inbetrieb­nahme des PXD besteht nicht nur in der Vorbereitung und Integration des sehr fragilen Detektors selbst, sondern auch in der Inbetrieb­nahme eines komplexen Service-Systems aus maßgeschneiderter Stromversorgung und Auslese­elektronik“, erklärt der Fabian Becherer, der als Mitglied des PXD-Installationsteams mehrere Monate am KEK verbrachte. Besonders wegen des sehr limitierten Raumvolumens innerhalb des Belle II-Detektors sei die Installation eine extrem heraus­fordernde Aufgabe, die eine enge Zusammenarbeit mit verschiedenen anderen Detektorgruppen verlange, um potentielle Konflikte zu vermeiden.

Der frisch eingebaute Detektor soll Anfang 2024 mit der Datennahme beginnen. „Es war eine jahrelange und heraus­fordernde Reise um an diesen Punkt zu gelangen. Ich bin stolz auf das gesamte PXD-Team, das dieses Ziel möglich gemacht hat und bin begeistert an diesem großen Moment teilhaben zu dürfen“, so Botho Paschen, Wissen­schaftler an der Universität Bonn und technischer Koordinator des PXD-Projektes. „Ab Ende des Jahres endlich Physik Daten mit einem vollständigen Detektor nehmen zu können, ist eine spannende Aussicht.“

DESY / JOL

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