Belle II: Jenseits des Standardmodells

Auf zu neuen Horizonten: Physikerinnen und Physiker suchen nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Dafür bauen sie am neuen Teilchenbeschleuniger SuperKEKB des Forschungszentrums KEK im japanischen Tsukuba einen leistungsfähigen Detektor der nächsten Generation – Belle II. Die Anlage wird 2018 ihren vollen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen und Milliarden von besonderen Teilchen erzeugen, sogenannte B-Mesonen. Um aus den Zerfällen dieser Teilchen aussagekräftige Schlüsse ziehen zu können, steuern deutsche Forschungsgruppen eine zentrale Detektorkomponente bei. Dieser sogenannte Pixel-Vertex-Detektor ist dabei den Zerfallsorten der B-Mesonen am nächsten und damit das Herzstück von Belle II.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die derzeit beste Beschreibung dafür, was unsere Welt im Innersten zusammenhält und woraus sie aufgebaut ist. Es beschreibt nicht nur die Atome mit ihren Kernen aus Protonen und Neutronen und den sie umgebenden Elektronen, sondern einen ganzen Zoo aus Teilchen. Einige davon sind extrem kurzlebig und zerfallen nach ihrer Erzeugung sofort wieder in andere Teilchen. Ebenso beschreibt das Standardmodell die Wechselwirkungen der Teilchen untereinander.

In einem Tunnel ist ein Stück des Teilchenbeschleunigers SuperKEKB zu sehen.
Teilchenbeschleuniger SuperKEKB

Der Erfolg des Standardmodells wurde 2012 durch den Nachweis des letzten noch fehlenden Teilchens, des Higgs-Teilchens, gekrönt. Es wurde schon vor circa 50 Jahren vorhergesagt, sein Nachweis aber wurde erst durch den bislang größten Teilchenbeschleuniger, den Large Hadron Collider (LHC), und die Experimente ATLAS und CMS am CERN in Genf möglich. Trotz dieses großartigen Erfolgs gehen Physikerinnen und Physiker aber davon aus, dass das Standardmodell noch nicht der „Weisheit letzter Schluss“ ist, da es noch zahlreiche fundamentale Fragen offen läs

Passt das Standardmodell zum Universum?

Eine der offenen Fragen ist beispielsweise das beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum. Laut Standardmodell sind jedes Teilchen und sein Antiteilchen bis auf ihre Ladung völlig gleich und vernichten sich gegenseitig, wenn sie aufeinandertreffen. Ihre Ladung ist genau entgegengesetzt. So ist beispielsweise das Elektron elektrisch negativ geladen, sein Antiteilchen, das Positron, hingegen positiv. Gemäß heutigem Verständnis müssen beim Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Anteilen entstanden sein. Sie sollten sich daher während der folgenden Abkühlungsphase des Universums gegenseitig nahezu komplett vernichtet haben. Stattdessen ist unsere Welt aus Materie aufgebaut, es herrscht also ein ganz klarer Überschuss. Da ist die folgende Frage naheliegend: Warum ist das so? Das Standardmodell kann darauf derzeit keine befriedigende Antwort liefern. Ein weiterer wichtiger Hinweis für die Unvollkommenheit des Standardmodells ist, dass die von ihm beschriebene, uns vertraute Materie im Universum nur 5 Prozent des Gesamtinhalts ausmacht – der Rest ist unbekannt.

Blick von oben in die Experimentierhalle und auf Belle II. Hier befindet sich der Teilchendetektor derzeit im Bau.
Belle II im Bau

Wissenschaftler begeben sich mithilfe von Teilchenbeschleunigern und Detektoren 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, die ihrerseits zerfallen und durch ihre Eigenschaften tiefe Einblicke in das Wesen der Materie erlauben.

Während am LHC der Fokus auf höchsten Energien liegt, ist eine komplementäre Strategie der Forschenden, möglichst viele Teilchenkollisionen zu produzieren. Ein entsprechendes Projekt soll demnächst rund siebzig Kilometer nordöstlich von Tokio im japanischen Tsukuba starten. Dort baut das Forschungszentrum KEK den Teilchenbeschleuniger KEKB zum SuperKEKB aus, der mit seinem Detektor Belle II gegen Ende 2018 den vollen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen soll.

Belle II und der Erfolg seines Vorgängers

Belle II ist ein internationales Projekt mit rund 700 Wissenschaftlern aus insgesamt 23 Ländern. Etwa hundert davon kommen aus Deutschland; damit stellt Deutschland nach Japan die zweitgrößte Gruppe von Physikerinnen und Physikern an Belle II. Wie der Name schon andeutet, gab es bereits ein Vorläuferexperiment namens Belle am Teilchenbeschleuniger KEKB, das nach demselben Prinzip funktionierte. Auf zwei gegenläufigen rund drei Kilometer langen, ringförmigen Umlaufbahnen werden Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, beschleunigt, um sie schließlich im Inneren des Detektors zur Kollision zu bringen. Die Kollisionsenergie wird dabei so eingestellt, dass besonders viele Teilchen einer bestimmten Sorte entstehen – die sogenannten B-Mesonen.

Der zylinderförmige Teilchendetektor Belle II ist hier von der Seite aufgeschnitten gezeigt und enthüllt so seine einzelnen Schichten.
Schematischer Aufbau von Belle II

B-Mesonen sind 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. B-Mesonen zerfallen innerhalb kürzester Zeit wieder in leichtere Teilchen wie beispielsweise Pionen, Elektronen oder Myonen. Indem Belle die Energien und Spuren dieser Teilchen vermaß, konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Aufschlüsse über die Kollisionen und die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse gewinnen.

Insgesamt eine Milliarde B-Mesonen-Paare produzierte KEKB während seiner rund elfjährigen Laufzeit von 1999 bis 2010 und wurde deshalb auch als „B-Fabrik“ bezeichnet. Ein Hauptziel war, den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie zu untersuchen. Tatsächlich konnten die Forschenden mit Belle einen solchen Unterschied in Zerfällen von B-Mesonen und ihren Antiteilchen nachweisen, ganz in Übereinstimmung mit den Vorhersagen von Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa, die dafür 2008 den Nobelpreis erhielten. Der gemessene Unterschied reicht aber nicht aus, um den deutlichen Überschuss an Materie im heutigen Universum zu erklären.

Suche nach neuer Physik

Das neue Experiment Belle II wird nicht nur mit viel höherer Genauigkeit erforschen, wie sich die Naturgesetze von Materie und Antimaterie voneinander unterscheiden. Die Forschenden suchen auch nach bestimmten B-Zerfällen, die nur extrem selten auftreten. Vermisst man solche seltenen Zerfälle präzise, so kann man kleinste Abweichungen vom etablierten Standardmodell erkunden und dadurch auf eine neue Physik schließen.

Die Computergrafik zeigt einen Detailausschnitt des innersten Teils von Belle II, den sogenannten Pixel-Vertex-Detektor, der dem Kollisionspunkt am nächsten ist. Er ist so groß wie eine Getränkedose und von Strahlrohren für die Positronen und Elektronen umgeben.
Blick ins Innerste von Belle II

Besonders interessant sind Zerfälle, in denen Teilchen entstehen, die man nur indirekt, nämlich über ein Defizit in der Energiebilanz beobachten kann. Solche Zerfälle könnten ein Schlüssel zum Verständnis der mysteriösen dunklen Materie im Universum sein. Aus kosmologischen Beobachtungen wissen wir einerseits bereits, dass es viel mehr dunkle als sichtbare Materie gibt. Andererseits wissen wir nicht, woraus die dunkle Materie besteht und welche Wechselwirkungen es zwischen dunkler und sichtbarer Materie gibt. Belle II kann hierzu wichtige Hinweise liefern.

Auch der neue Beschleuniger SuperKEKB ist im Vergleich zum KEKB viel leistungsstärker. Er ist zwar im selben Tunnel aufgebaut und verwendet auch einige Komponenten seines Vorgängers, liefert aber vierzigmal mehr Kollisionen pro Sekunde, nämlich rund tausend Paare von B-Mesonen pro Sekunde. Während in der B-Fabrik KEKB insgesamt rund eine Milliarde B-Meson-Paare entstanden, soll SuperKEKB während seiner geplanten Laufzeit rund fünfzig Milliarden solcher Teilchen-Antiteilchen-Paare liefern.

Das Bild zeigt den meterhohen Teilchendetektor Belle II während seines Aufbaus. Durch eine kreisrunde Öffnung sind im Hintergrund Bauarbeiter zu sehen.
Aufbau von Belle II

Das bedeutet einerseits eine bessere Genauigkeit für die Untersuchung seltener Zerfälle. Andererseits will die hier entstehende Datenflut erst einmal bewältigt werden. Die Energien und Spuren der entstehenden Teilchen müssen mit dem Belle II-Detektor registriert und hochgenau vermessen werden. Interessante Kollisionsereignisse müssen aus der großen Datenflut herausgefiltert werden – und das alles innerhalb von Sekundenbruchteilen. Zudem muss die innerste Detektorschicht bei Belle II einer viel höheren Strahlungsbelastung standhalten als noch beim Vorläuferexperiment Belle.

Dies stellt ganz neue Herausforderungen an den Detektor, in dessen Inneren die Kollisionen stattfinden und der das Geschehen möglichst umfassend und exakt aufzeichnen soll. Belle II ist im Wesentlichen zylinderförmig aufgebaut und besteht aus insgesamt sieben Detektorelementen, die verschiedene Aufgaben der Teilchenvermessung übernehmen. Sein Herzstück kommt dabei zum großen Teil aus Deutschland.

Die deutsche Beteiligung an Belle II

Die innerste Schicht von Belle II stellt ein sogenannter Pixel-Vertex-Detektor dar, der dem Kollisionspunkt der Teilchen am nächsten ist und somit die höchsten Teilchendichten zu verzeichnen hat. Für dieses Herzstück von Belle II war das deutsche Fachwissen in der Entwicklung von Halbleiterdetektoren eine ideale Basis. Der Pixel-Vertex-Detektor verwendet Siliziumsensoren, um nahe am Kollisionspunkt die Spuren der erzeugten geladenen Teilchen präzise zu rekonstruieren. Der Zerfallsort der B-Mesonen, der „Vertex“, kann somit sehr genau bestimmt werden. Der Detektor ist in der Lage, 50 000 solcher hochaufgelösten Bilder von Kollisionsereignissen pro Sekunde aufzunehmen. Die innovative Transistor-Technologie (DePFET) für den nur getränkedosengroßen Pixeldetektor wurde in Deutschland entwickelt und der Pixel-Vertex-Detektor für Belle II in Deutschland gebaut. Sie hat auch über die Teilchenphysik hinaus ein sehr hohes Anwendungspotenzial.

Ein DePFET-Pixeldetektormodul sieht aus wie ein längliches, dünnes, rechteckiges Blättchen. Daneben befindet sich eine AAA-Batterie zum Größenvergleich.
Ein DePFET-Pixeldetektormodul

Deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben auch eine führende Rolle bei der Entwicklung der Software zur Verarbeitung und Auswertung der aufgezeichneten Daten übernommen. Beispielsweise wurden die Algorithmen zur Rekonstruktion der Teilchenbahnen, die beim Zerfall der B-Mesonen entstehen, größtenteils in Deutschland entwickelt. Durch den Einsatz innovativer Technologien konnte außerdem die Effizienz beim Nachweis der B-Mesonen deutlich gesteigert werden. Deutsche Forschungsgruppen entwickeln auch einen auf neuronalen Netzwerken basierenden Algorithmus, um die physikalisch relevanten Ereignisse aus einem riesigen “Untergrund” uninteressanter Daten herauszufischen.

Die erwartete große Menge an aufgezeichneten Daten stellt eine Herausforderung für die Speicherung und Verarbeitung dar, die nur mehrere Rechenzentren gemeinsam bewältigen können. Rechenzentren in Karlsruhe, Hamburg und München leisten hier einen wesentlichen Beitrag. Im Rahmen der Verbundforschung unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung die beteiligten Universitätsgruppen. Insgesamt rund 9,6 Millionen Euro (Förderzeitraum 2012 bis 2018) fließen dabei nicht nur in den Bau des Pixel-Vertex-Detektors, sondern auch in die Entwicklung der für Belle II benötigten Software.​ So sollen sich auch sehr seltene Teilchenzerfälle nachweisen lassen – und die Jagd nach neuer Physik kann mit Belle II ab 2018 beginnen.

Steckbrief Belle II

Typ:

Teilchendetektor

Technologie:

Multifunktions-Teilchendetektor zur Messung von Elektron-Positron-Kollisionen mit sieben Detektorelementen

Standort:

Tsukuba, Ibaraki-Präfektur, Japan

Betreiber:

Hochenergie-Beschleuniger-Forschungsorganisation KEK

Baukosten:

53 Oku Yen (rund 45 Millionen Euro), zur Hälfte von Japan, zur anderen Hälfte von den Mitgliedsländern finanziert

Deutsche Finanzierung:

rund sechs Prozent der Betriebskosten, berechnet nach Anzahl der beteiligten promovierten Wissenschaftler/innen (Stand 2017)

Deutscher Beitrag:

Pixel-Detektor basierend auf DePFET-Technologie

Pixel-Detektor-Parameter:

Innenradius 14 Millimeter, Modul 9,0×1,5 cm2, Pixelgröße 50×50 Mikrometer;

Außenradius 22 Millimeter, Modul 12,3×1,5 cm2, Pixelgröße 50×75 Mikrometer;

800×250 Pixel pro Modul

Ausmaße:

7 Meter Durchmesser, 7,5 Meter Länge (annähernd zylinderförmig)

Geplanter Nutzerbetrieb:


erste Datennahme mit komplettem Detektor voraussichtlich 2018

Geplante Messdauer:

voraussichtlich bis 2025

Teilchenbeschleuniger:

SuperKEKB mit 8∙1035 cm-2 s-1 instantaner Luminosität (Teilchenbegegnungen pro Zeit und Fläche)

Erzeugte B-Mesonen:

ca. 1000 B-Mesonen pro Sekunde, insgesamt 50 Milliarden B-Mesonen-Paare

Vorgängerexperiment:

Belle am Teilchenbeschleuniger KEKB

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF

Anzahl beteiligter deutscher Institute:

11

Beteiligte deutsche Wissenschaftler:

96 (Stand Februar 2017)

Beteiligte Länder:

23: Australien, China, Deutschland, Indien, Italien, Japan, Kanada, Korea, Malaysia, Mexiko, Österreich, Polen, Russland, Saudi-Arabien, Slowenien, Spanien, Taiwan, Tschechische Republik, Thailand, Türkei, Ukraine, USA, Vietnam