26.04.2018 —

Auf diesen Moment hat die Teilchenphysik-Community lange gewartet: Am 26. April 2018 um 0.38 Uhr japanischer Zeit kollidierten im neuen SuperKEKB-Beschleuniger erstmals Materie- und Antimaterie-Teilchen. Erfolgsmeldung auch vom Detektor: Das ebenfalls neu entwickelte Belle II-Instrument hat die beim Aufprall produzierten Teilchenspuren „gesehen“ und aufgezeichnet. Mit dem Experiment hoffen Wissenschaftler zu verstehen, warum das ursprüngliche Materie-Antimaterie-Gleichgewicht im Universum gekippt und heute fast nur noch Materie vorhanden ist.

Wo liegt der Schlüssel zur Lösung des Materie-Antimaterie-Rätsels? Wissenschaftler suchen ihn im Zerfallsmuster kurzlebiger Teilchen, insbesondere von B-Mesonen, bei dem sich ein leichter Materieüberschuss beobachten lässt.

Bei B-Mesonen handelt es sich um Quark-Paare mit einem besonderen Merkmal: Eines der beiden Quarks ist ein Beauty-(B-) Quark oder das entsprechende Antiteilchen. B-Mesonen entstehen, wenn Elektronen und Positronen (Anti-Elektronen) aufeinandertreffen und sich gegenseitig auslöschen.

Suche nach besonderen Zerfällen

SuperKEKB beschleunigt Elektronen und Positronen auf gegenläufigen Bahnen, bevor sie im Belle II-Detektor kollidieren. Belle II verzeichnet und analysiert die Kollisionsereignisse. „Um Zerfälle nachzuweisen, die von der Norm abweichen, müssen die Teilchenspuren buchstäblich haargenau vermessen werden“, erklärt Dr. Hans-Günther Moser vom Max-Planck-Institut für Physik (MPP). „Diese Aufgabe übernimmt ein hochsensibler Pixeldetektor, der sich unmittelbar am Kollisionspunkt im Zentrum von Belle II befindet.“ Prof. Dr. Thomas Kuhr von der LMU ergänzt: „Neben verbesserten Detektoren sind auch ausgefeilte Algorithmen erforderlich, um bei der Analyse der aufgezeichneten großen Datenmengen kleinste Abweichungen zu finden.“

Vor acht Jahren fiel im japanischen Tsukuba der Startschuss für die Modernisierung des KEK-Beschleunigers und des Belle-Detektors. Ziel des Großprojektes ist es, die Ausbeute an B-Mesonen um das 40-fache zu erhöhen: In den nächsten zehn Jahren soll das Gespann aus SuperKEKB und Belle II etwa 50 Milliarden B-Mesonen produzieren und auswerten. Mit dem enormen Datenzuwachs steigt auch die Chance, die gesuchten Zerfallsmuster zu finden.

Das Exzellenzcluster Universe ist  mit dem Max-Planck-Institut für Physik (MPP), der Ludwigs-Maximilians-Universität (LMU) und der Technische Universität München (TUM) am Bau des innersten Detektors und der Entwicklung der Software zur Auswertung der Daten beteiligt.

Ein Ringbeschleuniger auf der Zielgeraden

Wesentliche Neuerung bei SuperKEKB ist ein neu konstruierter Positronenring sowie ein komplexes System aus supraleitenden Magneten, die die Teilchenpakete in der Spur halten. Mit dem modernisierten Beschleuniger geht auch der neue Belle II-Detektor in Betrieb, dessen Funktionen perfekt auf die Anlage abgestimmt sind.

Vor einigen Wochen wurden je ein Elektronen- und ein Positronenstrahl eingespeist. Seither arbeiten Wissenschaftler und Techniker daran, die Teilchenstrahlen auf die Kollision im Inneren des Belle II-Detektors auszurichten. Aktuell wird mithilfe von am MPP gefertigten Instrumenten auch die für die späteren Auswertungen störenden Untergrund-Signale gemessen. Nach dieser Testphase werden die letzten Komponenten, darunter der vom MPP maßgeblich mitentwickelte Pixeldetektor, eingebaut und kalibriert. Das wissenschaftliche Programm soll dann Anfang des nächsten Jahres beginnen.