Belle II – Jenseits des Standardmodells

Das anerkannte Standardmodell der Teilchenphysik stößt an seine Grenzen. Es beschreibt die wesentlichen Erkenntnisse zu den bis heute bekannten Elementarteilchen – ihre Eigenschaften und die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Damit liefert es Informationen über den Aufbau der Welt und betrifft auch direkt uns Menschen. Genauso wie Tiere, Pflanzen oder Planeten sind wir aus winzigen Partikeln – den Elementarteilchen – aufgebaut. Doch immer wieder beobachten Physikerinnen und Physiker Phänomene, auf die das Standardmodell keine oder nur unzureichende Antworten liefert. Dies deutet auf neue Physik jenseits des Standardmodells hin. Für den Vorstoß in diese bisher unbekannten Sphären bietet das Teilchenphysik-Experiment Belle II am Beschleuniger SuperKEKB geeignete Voraussetzungen. Vor allem die Kombination aus hoher Teilchenkollisionsrate und besonders präzisen Vermessungsmöglichkeiten der Teilchenspuren öffnet den Physikerinnen und Physikern das Fenster in eine unbekannte Welt.

Teilchenbeschleuniger SuperKEKB

Dazu gehört das beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum, das von Gesetzmäßigkeiten aus dem Standardmodell abweicht. Danach existiert zu jedem Teilchen ein Antiteilchen. Es ist bis auf seine Ladung völlig gleich. Das Elektron zum Beispiel ist elektrisch negativ geladen, sein Antiteilchen, das Positron, hingegen positiv. Wenn die Teilchen aufeinandertreffen, löschen sie sich gegenseitig aus. Ein ähnliches Kräfteverhältnis soll auch kurz nach dem Urknall bestanden haben, wonach Materie und Antimaterie sich hätten vernichten müssen. Dennoch besteht unsere Welt überwiegend aus Materie, was Forschenden Rätsel aufgibt. Mit SuperKEKB und seinem Detektor der nächsten Generation Belle II wollen Physikerinnen und Physiker diesem Geheimnis nachgehen.

Außerdem suchen sie nach Antworten auf Fragen, die Phänomene wie die Dunkle Materie und die Dunkle Energie aufwerfen. Große Teile unseres Universums bestehen aus etwas, das keiner gesehen hat und die Wissenschaft bisher experimentell nicht nachweisen konnte.Forschende bezeichnen das Unbekannte als Dunkle Materie und Dunkle Energie. Zusammen machen sie mehr als neunzig Prozent des Universums aus. Aufgrund beobachteter Abweichungen sind Forschende von deren Existenz überzeugt, da sich die Abweichungen nicht allein mit der uns bekannten, sichtbaren Materie erklären lassen. So wird an Galaxien vorbeifliegendes Licht stärker abgelenkt, als Berechnungen es ergeben, die Rotationgeschwindigkeit von Sternen und Galaxien ist viel stärker als angenommen und das Universum expandiert wesentlich schneller, als Modelle es vorhersagen. Die einzigartigen Eigenschaften des SuperKEKB und Belle II erlauben es, dem nachzugehen. Besonders vielversprechend erscheinen den Forschenden Zerfälle, in denen Teilchen entstehen, die sich ausschließlich über ein Energiedefizit messen lassen.

Während am Large Hadron Collider der Fokus auf Kollisionen mit möglichst hohen Energien liegt, setzt das Experiment Belle II im japanischen Tsukuba nordöstlich von Tokio auf einen anderen Ansatz: viele Teilchenkollisionen zu produzieren, um möglichst genaue Messungen durchzuführen. Am Anfang steht der rund drei Kilometer lange Ringbeschleuniger SuperKEKB, der jeweils auf zwei gegenläufigen Umlaufbahnen Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, beschleunigt. Im Inneren des Detektors stoßen sie mit hohen Geschwindigkeiten zusammen. Auf diese Weise entsteht Energie, aus der schnell neue Partikel entstehen. Die Kollisionsenergie ist so eingestellt, dass sich besonders viele Teilchen einer bestimmten Sorte bilden – die sogenannten B-Mesonen.

Schematischer Aufbau von Belle II

B-Mesonen bestehen aus den elementarsten Bausteinen der Atomkerne – den Quarks. Sie sind sehr instabil und zerfallen in kürzester Zeit in leichtere Teilchen. Dabei kommt es auch zu sehr seltenen Zerfällen, als wichtige Grundlage für eine Physik außerhalb des Standardmodells. Als weitere Besonderheit zu anderen Teilchenvertretern bestehen B-Mesonen unter anderem aus einem schweren, sogenannten Bottom-Quark. Dies bietet ideale Voraussetzungen, um das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht zu erforschen.

Der Beschleuniger SuperKEKB und sein Detektor Belle II sind den Vorgängern KEKB und Belle klar überlegen, die von 1999 bis 2010 in Betrieb waren. Das neue System von Fokussiermagneten und einem speziellen Dämpfungsring sorgt dafür, dass die Teilchenstrahlen extrem gebündelt werden und so möglichst viele Teilchen miteinander zusammenstoßen. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit um das Vierzigfache und damit die Wahrscheinlichkeit, neues Wissen zu erlangen. Das bei Belle II eingesetzte Detektorsystem erlaubt eine besonders präzise Vermessung der Teilchenspuren, was die Chancen auf einen großen Fund weiter verbessert.

Für solche Entdeckungen haben KEKB und Belle den Grundstein gelegt. Insgesamt eine Milliarde B-Mesonen-Paare produzierte KEKB während seiner bisher rund elfjährigen Laufzeit. Sie trugen dem Beschleuniger und seinem Detektor den Namen „B-Fabrik“ ein. 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 Materieüberschuss im heutigen Universum zu erklären. Um die Untersuchungen voranzutreiben, wird bei Belle II ein Datensatz angestrebt, der fünfzigmal so groß ist wie der von Belle.

Rund 120 Forschungseinrichtungen aus 27 Ländern beteiligen sich am Belle-II-Experiment. Aus Deutschland sind acht Universitäten und drei Forschungszentren eingebunden. Der neue Pixel-Vertex-Detektor erfüllt als wissenschaftliches Nachweisgerät in dem Experiment eine Schlüsselrolle, da er die entstandenen Teilchenspuren mit Siliziumsensoren exakt vermisst. Forschungsgruppen deutscher Universitäten haben dieses Herzstück gemeinsam entwickelt und konstruiert. Sein Platz ist dicht am Kollisionspunkt, weshalb er eine hohe Teilchendichte verzeichnet. Der Detektor ist in der Lage, 50 000 hochaufgelöste Bilder von Kollisionsergebnissen pro Sekunde aufzunehmen. Er besteht aus mehreren, fein aufeinander abgestimmten Komponenten, basierend auf einem neuartigen Prinzip, der sogenannten DEPFET-Technologie. Sie hat ein sehr hohes Anwendungspotential – in der Teilchenphysik genauso wie beispielsweise in der Astrophysik.

Ein DePFET-Pixeldetektormodul

Deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben außerdem maßgeblich an der Entwicklung der Auswertungssoftware mitgewirkt und beispielsweise selektive Algorithmen entwickelt. Sie rekonstruieren die Teilchenbahnen und verarbeiten die Datenmassen von einem Gigabyte pro Sekunde. Um wichtige von unwichtigen Ereignissen zu trennen, setzten die deutschen Gruppen Algorithmen auf Basis von künstlichen neuronalen Netzen ein.

Nur mit gemeinsamen Anstrengungen können die Forschenden die Datenmengen verarbeiten, speichern und analysieren. Rechenzentren in Karlsruhe, Hamburg und München leisten hier einen wesentlichen Beitrag. Im Rahmen der Projektförderung ErUM-Pro unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung die beteiligten Universitätsgruppen finanziell beim Bau des Pixel-Vertex-Detektors und der Entwicklung der Selektionssoftware.

Nach achtjähriger Umbauphase hat das Belle-II-Experiment seit Mitte 2018 den ersten wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen. Das Forschungsprojekt mit allen Komponenten begann Anfang 2019. In den kommenden Jahren suchen nun Physikerinnen und Physiker mit dem Detektor der nächsten Generation nach neuer Physik.