26.03.2018

Wiedergeboren als Elefantenkind

Teilchenbeschleuniger SuperKEKB kehrt nach Runderneuerung mit höchster Luminosität zurück.

Warum gibt es im Universum so viel mehr Matrie als Anti­materie? Um diese fundamentale Frage zu klären, bereiten Forscher des Exzellenz­clusters Universe im Rahmen einer inter­nationalen Forschungs­kollaboration im japanischen Tsukuba ein wichtiges Experiment vor. Nach acht­jähriger Umbau­pause werden im erneuerten Teilchen­beschleuniger „SuperKEKB“ in Kürze wieder Elektronen und Positronen zur Kollision gebracht. Der ebenfalls umgebaute Detektor Belle II zeichnet dann die Ereignisse mit erhöhter Präzision auf und soll damit neues Licht auf das Verständnis der kleinsten Materie­teilchen werfen.

Abb.: Belle-II-Detektor am SuperKEKB (Bild: S. Takahashi / KEK)

Mit dem Belle-II-Experiment wollen Wissenschaftler eine seltene Symmetrie­verletzung untersuchen – und die Frage klären, warum im heutigen Universum kaum mehr Anti­materie vorkommt. Eine entscheidende Rolle dabei spielen Zerfälle von B-Mesonen. Diese Teilchen werden beim Zusammen­prall von Elektronen und Positronen gebildet.

Der neue SuperKEKB-Beschleuniger produziert vierzigmal so viele Kollisions­ereignisse wie sein Vorgänger – und damit auch deutlich mehr Daten. Um diese analysieren zu können, wird derzeit auch der Belle-Detektor nachgerüstet. An Belle II arbeiten etwa 100 Forschungs­einrichtungen aus 25 Ländern mit. Das Exzellenz­cluster Universe ist mit dem Max-Planck-Institut für Physik, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München am Bau des innersten Detektors und der Entwicklung der Software zur Auswertung der Daten beteiligt.

„Mit dem Pixel-Vertex-Detektor lässt sich der Zerfalls­ort der B-Mesonen mit höchster Präzision messen“, erklärt Hans-Günther Moser, Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Physik. „Diese Informationen sind entscheidend, um mögliche Abweichungen in den Teilchen­zerfällen feststellen zu können.“ Software-Koordinator Thomas Kuhr von der LMU ergänzt: „Außerdem sind wir nun in der Lage, ein Vielfaches mehr an Daten zu verarbeiten – wir sprechen von über 200 Gigabit pro Sekunde beim innersten Detektor. In Kombination mit verbesserten Algorithmen erwarten wir eine sehr große statistische Sicherheit, um bisher beobachtete Abweichungen vom Standard-Modell der Teilchen­physik auch verlässlich bestätigen oder wider­legen zu können.“

„Seit Jahren bereiten wir diese sehr aufwändigen Messungen in Japan vor. Mit der erfolgreichen Inbetrieb­nahme des Beschleunigers und des Belle-II-Experiments in Japan öffnet sich nun die Tür für einzigartige wissen­schaftliche Resultate und hoffentlich vielen Überraschungen.“ Mit dem Belle-II-Experiment wollen Wissenschaftler eine seltene Symmetrieverletzung untersuchen – und die Frage klären, warum im heutigen Universum kaum mehr Antimaterie vorkommt. Eine entscheidende Rolle dabei spielen Zerfälle von B-Mesonen. Diese Teilchen werden beim Zusammen­prall von Elektronen und Positronen gebildet.

Am 21. März 2018 wurde erfolgreich ein Elektronen­strahl in den Beschleuniger­ring eingebracht. Ihm folgt Anfang April ein Positronen­strahl. Parallel dazu laufen die letzten Vorbereitungen für die erste Teilchen­kollision, die bald stattfinden soll. Der SuperKEKB-Beschleuniger und der Belle-II-Detektor bilden ein Tandem zur Suche nach neuer Physik jenseits des Standard­modells. Hinweise darauf könnten in seltenen Zerfällen zu finden sein, wie B-Mesonen, Charm-Hadronen und Tau-Leptonen. „Mit der erfolgreichen Inbetrieb­nahme des Beschleunigers und des Belle-II-Experiments öffnet sich nun die Tür für einzig­artige wissen­schaftliche Resultate und hoffentlich vielen Über­raschungen“, sagt Teilchen­physiker Stephan Paul von der TUM.

Mit der Modernisierung stellt SuperKEKB einen neuen Rekord auf. Im Vergleich mit anderen Beschleunigern erzielt er die höchste Luminosität. Auch gegenüber seinem Vorgänger legt SuperKEKB deutlich zu: Pro Sekunde entstehen 1000 B-/Anti-B-Mesonen­paare – bei KEKB waren es 25.

Excellence Cluster Universe / DE

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