Das Bild zeigt den runden Detektor, mit einem Loch in der Mitte.

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Das Bild zeigt den Detektor von unten.

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Das Bild zeigt die Aufbauarbeiten von Belle II.

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Das Bild zeigt verschiedene Röhren und viele Kabel, die zu dem Ringbeschleuniger SuperKEKB gehören.

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Belle II – Jenseits des Standardmodells

Phänomene der neuen Physik – darauf ist das Doppel, bestehend aus dem Teilchenbeschleuniger SuperKEKB und seinem Detektor Belle II, spezialisiert. Unter anderem wollen die Forschenden den Ursprung unseres Universums nachgehen, Geheimnisse um die Dunkle Materie lüften und Physikphänomene verstehen, die von etablierten Gesetzen im Teilchenkosmos abweichen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betreten völlig neues Physik-Terrain.

  • Standort:
    Tsukuba (Japan)

  • Baukosten:
    etwa 45 Millionen Euro

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    500 von rund 100 Forschungseinrichtungen

  • Beteiligte Länder:
    Australien, China, Deutschland, Frankreich, Indien, Israel, Italien, Japan, Kanada, Korea, Malaysia, Mexiko, Österreich, Polen, Russland, Saudi-Arabien, Slowenien, Spanien, Taiwan, Tschechien, Thailand, Türkei, Ukraine, USA, Vietnam

  • Ziel:
    Physik jenseits des Standardmodells entdecken

  • Gerätetyp:
    Teilchendetektor

  • Messmethode:
    Multifunktionsdetektor

  • Untersuchungsobjekt:
    Elektronen, Positronen

  • Bauphase:
    2011 bis 2018

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Hochenergie-Beschleuniger-Forschungsorganisation (KEK)

  • Größe:
    7 Meter Durchmesser, 7,5 Meter Länge

  • Experimentdetails:
    Luminosität: 8∙1035 Teilchenbegegnungen pro Quadratzentimeter und Sekunde

Welche Erkenntnisse wir mit Belle II gewinnen

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 nur unzureichende Antworten liefert. Sie werden als neue Physik bezeichnet. 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.

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

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. Zusammen sind es mehr als neunzig Prozent. Forschende bezeichnen das Unbekannte als Dunkle Materie und Dunkle Energie. Aufgrund beobachteter Abweichungen sind sie von ihrer Existenz überzeugt, die sich allein mit sichtbarer Materie nicht 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.

Wie SuperKEKB und Belle II funktionieren

Während am Large Hadron Collider Fokus auf hohen Energien liegt, setzt das Experiment Belle II im japanischen Tsukuba nordöstlich von Tokio auf einen anderen Ansatz: möglichst viele Teilchenkollisionen zu produzieren. 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 Energien zusammen. Auf diese Weise entsteht Energie, die sich schnell zu neuen Partikeln formiert. Die Kollisionsenergie ist so eingestellt, dass sich besonders viele Teilchen einer bestimmten Sorte bilden – 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 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 sogenannten schweren 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.

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 reichte aber nicht aus, um den deutlichen Materieüberschuss im heutigen Universum zu erklären. Für Belle II wird ein Datensatz angestrebt, der fünfzigmal so groß ist wie der von Belle.

Wer an Belle II beteiligt ist

Rund hundert Forschungseinrichtungen aus 25 Ländern beteiligen sich am Belle-II-Experiment. Aus Deutschland sind acht Universitäten und vier Forschungszentren eingebunden. Der neue Pixel-Vertex-Detektor PXD 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 die höchste 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 sieht aus wie ein längliches, dünnes, rechteckiges Blättchen. Daneben befindet sich eine AAA-Batterie zum Größenvergleich.

Ein DePFET-Pixeldetektormodul

Deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben außerdem durch selektive Algorithmen maßgeblich an der Entwicklung der Auswertungssoftware mitgewirkt. Sie rekonstruiert die Teilchenbahnen und verarbeitet 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 und speichern. Rechenzentren in Karlsruhe, Hamburg und München leisten hier einen wesentlichen Beitrag. Im Rahmen der Projektförderung ErUM-Pro hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung die beteiligten Universitätsgruppen finanziell während des Baus des Pixel-Vertex-Detektors und der Entwicklung der Selektionssoftware mit bisher insgesamt 16,9 Millionen Euro unterstützt.

Was gerade an Belle II passiert

Nach achtjähriger Umbauphase hat das Belle-II-Experiment seit Mitte 2018 den ersten wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen. Mit der erfolgreichen Fertigstellung des Herzstücks von Belle II, dem hochempfindlichen Pixel-Vertex-Detektor, sind seit Anfang 2019 alle Komponenten in Betrieb. Nun soll der Detektor der nächsten Generation neue physikalische Erkenntnisse liefern.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/teilchen/belle-ii/