Belle II: Teilchendetektor für eine neue Physik

Mit dem Detektor Belle II begeben sich Forschende am Teilchenbeschleuniger SuperKEKB in Japan auf die Jagd nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Mithilfe des Teilchendetektors Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK wollen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Suche nach Hinweisen auf neue Physik begeben. © KEK in Tsukuba, Japan

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die derzeit beste Beschreibung dafür, was unsere Welt im Innersten zusammenhält und woraus sie aufgebaut ist. Dennoch bleiben viele offene Fragen, etwa, warum es im heutigen Universum viel mehr Materie als Antimaterie gibt. Physikerinnen und Physiker begeben sich auf die Suche nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells, indem sie Teilchen auf hohe Energien beschleunigen und zur Kollision bringen. Dadurch entstehen wiederum neue Teilchen. Durch die genaue Vermessung solcher Kollisionsereignisse lassen sich tiefe Einblicke in das Wesen der Materie gewinnen.  

Bald soll eine neue Suche rund siebzig Kilometer nordöstlich von Tokio im japanischen Tsukuba starten. Dort betreibt das Forschungszentrum KEK den Teilchenbeschleuniger SuperKEKB, der mit seinem Detektor Belle II gegen Ende 2018 den vollen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen soll. Belle II ist ein internationales Projekt mit rund 700 beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus insgesamt 23 Ländern, von denen rund hundert aus Deutschland kommen.

Auf einer rund drei Kilometer langen Umlaufbahn beschleunigt der SuperKEKB Elektronen und ihre positiv geladenen Antiteilchen, die Positronen, um sie schließlich im Inneren des Detektors zur Kollision zu bringen. Die Kollisionsenergie ist dabei so eingestellt, dass eine große Anzahl von sogenannten B-Mesonen entsteht. Das sind besondere Teilchen, die aus den elementarsten Bausteinen der Atomkerne bestehen – den Quarks. Anders als Protonen oder Neutronen, die aus leichten Up- und Down-Quarks zusammengesetzt sind, enthalten B-Mesonen außerdem ein schweres Bottom-Quark. Innerhalb kürzester Zeit zerfallen die B-Mesonen wieder in viele andere Teilchen. Indem Belle II die Energien und Spuren dieser Teilchen vermisst, können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausfinden, welche physikalischen Prozesse sich dahinter verbergen – und dabei möglicherweise Hinweise auf  neue Physik jenseits des Standardmodells entdecken.

Der SuperKEKB wird rund tausend B-Mesonen pro Sekunde liefern, insgesamt also fünfzig Milliarden Paare von B-Mesonen und ihren Antiteilchen über seine gesamte Laufzeit. Für diese Teilchen- und Datenflut braucht es einen leistungsfähigen Detektor, der hochpräzise misst. Für den SuperKEKB ist dies Belle II: ein zylinderförmiger Detektor, der aus insgesamt sieben ineinander geschachtelten Elementen besteht. Die erwartete Menge an aufgezeichneten Daten ist enorm – nur mehrere Rechenzentren gemeinsam können diese Datenflut bewältigen. Rechenzentren in Karlsruhe, Hamburg und München leisten hier einen wesentlichen Beitrag.

Die innerste Schicht von Belle II ist ein sogenannter Pixel-Vertex-Detektor, der mithilfe von Siliziumsensoren die Spuren von geladenen Teilchen wie Elektronen oder Myonen misst – und das 50000-mal pro Sekunde. Die innovative Sensortechnologie für dieses getränkedosengroße Nachweisgerät wurde in Deutschland entwickelt und der Pixel-Vertex-Detektor für Belle II von deutschen Forschungsgruppen gebaut.

Im Rahmen der Verbundforschung stellt das Bundesforschungsministerium im Förderzeitraum 2012 bis 2018 rund 9,6 Millionen Euro für die an Belle II beteiligten deutschen Universitätsgruppen bereit. Mit dem Geld fördert das Ministerium nicht nur den Bau eines völlig neuartigen Detektorelements unter Einsatz und Weiterentwicklung von Hochtechnologie aus Deutschland, sondern unterstützt auch die Entwicklung der für Belle II benötigten Software und Datenanalysemethoden. So sollen sich auch sehr seltene Teilchenzerfälle nachweisen lassen – und die Jagd nach neuer Physik kann mit Belle II ab 2018 beginnen.