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
