23.03.2018 —

Warum gibt es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie? Um diese fundamentale Frage zu klären, bereiten Forscher des Exzellenzclusters Universe im Rahmen einer internationalen Forschungskollaboration im japanischen Tsukuba ein wichtiges Experiment vor. Nach achtjähriger Umbaupause werden im im erneuerten Teilchenbeschleuniger „SuperKEKB“ in Kürze wieder Elektronen und Positronen zur Kollision gebracht. Der ebenfalls umgebaute Detektor Belle II zeichnet dann die Ereignisse mit erhöhter Präzision auf und soll damit neues Licht auf das Verständnis der kleinsten Materieteilchen werfen.

Mit dem Belle-II-Experiment wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine seltene Symmetrieverletzung untersuchen – und die Frage klären, warum im heutigen Universum kaum mehr Antimaterie vorkommt. Eine entscheidende Rolle dabei spielen Zerfälle von B-Mesonen. Diese Teilchen werden beim Zusammenprall von Elektronen und Positronen gebildet.

Der neue SuperKEKB-Beschleuniger produziert 40mal so viele Kollisionsereignisse wie sein Vorgänger – und damit auch deutlich mehr Daten. Um diese analysieren zu können, wird derzeit auch der Belle-Detektor nachgerüstet. An Belle II arbeiten etwa 100 Forschungseinrichtungen aus 25 Ländern mit. Das Exzellenzcluster Universe ist mit dem Max-Planck-Institut (MPI) für Physik, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM) am Bau des innersten Detektors und der Entwicklung der Software zur Auswertung der Daten beteiligt.

Exzellenzcluster Universe an Software und Detektorbau beteiligt

„Mit dem Pixel-Vertex-Detektor lässt sich der Zerfallsort der B-Mesonen mit höchster Präzision messen“, erklärt Hans-Günther Moser, Wissenschaftler vom Max-Planck Institut für Physik. „Diese Informationen sind entscheidend, um mögliche Abweichungen in den Teilchenzerfällen feststellen zu können.“ Software-Koordinator Prof. Dr. Thomas Kuhr von der LMU ergänzt: „Außerdem sind wir nun in der Lage ein Vielfaches mehr an Daten zu verarbeiten – wir sprechen von über 200 GBit/s beim innersten Detektor. In Kombination mit verbesserten Algorithmen erwarten wir eine sehr große statistische Sicherheit, um bisher beobachtete Abweichungen vom Standard-Modell der Teilchenphysik auch verlässlich bestätigen oder widerlegen zu können.“

Am 21. März 2018 wurde erfolgreich ein Elektronenstrahl in den Beschleunigerring eingebracht. Ihm folgt Anfang April ein Positronenstrahl. Parallel dazu laufen die letzten Vorbereitungen für die erste Teilchenkollision, die bald stattfinden soll.

Ein Tandem für die Suche nach neuer Physik

Der SuperKEKB-Beschleuniger und der Belle II-Detektor bilden ein Tandem, mit dem Wissenschaftler nach neuer Physik jenseits des Standardmodells suchen. Hinweise darauf hoffen sie in seltenen Zerfällen von Teilchen zu finden, wie B-Mesonen, Charm-Hadronen und Tau-Leptonen. „Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme des Beschleunigers und des Belle II-Experiments öffnet sich nun die Tür für einzigartige wissenschaftliche Resultate und hoffentlich vielen Überraschungen“, sagt Teilchenphysiker Prof. Dr. Stephan Paul von der TUM.

Mit der Modernisierung stellt SuperKEKB einen neuen Rekord auf. Im Vergleich mit anderen Beschleunigern erzielt er die höchste Luminosität. Darunter versteht man die Anzahl von Kollisionen pro Sekunde und definierter Fläche. Auch gegenüber seinem Vorgänger legt SuperKEKB deutlich zu: Pro Sekunde entstehen 1.000 B-/Anti-B-Mesonenpaare – bei KEKB waren es 25.

Links:

Café & Kosmos am 24. April 2018: Belle II und die Suche nach neuer Physik

Pressemitteilung des japanischen Forschungszentrums KEK

Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik

Pressemitteilung vom 08.06.2017: "Erstaunliche Abweichungen"

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Kuhr
Ludwig-Maximilians-Universität München
Software Coordinator Belle II
Exzellenzcluster Universe
Telefon:+49 35831-7174
E-Mail: thomas.kuhr@lmu.de

Dr. Hans-Günther Moser
Max-Planck-Institut für Physik
Chair Institutional Board Belle II
Telefon: +49 89 32354-248
E-Mail: moser@mpp.mpg.de

Hintergrundwissen Belle II:
Der Belle II-Detektor ist ein Teilchenphysik-Experiment am KEK Forschungszentrum in Tsukuba (Japan). Es befindet sich am Interaktionspunkt des SuperKEKB Beschleunigers, dem leistungsfähigsten Leptonenbeschleuniger der Welt. Bei diesem Experiment werden Elektronen und ihre Antimaterie-Partner, Positronen, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und innerhalb des Detektors zur Kollision gebracht. Belle II ist dafu?r konstruiert, die in den Kollisionen entstehenden Teilchen zu identifizieren und ihre Eigenschaften präzise zu vermessen. Mit einer geplanten Luminosität von 8 x 10³⁵cm^-2s^-1 wird SuperKEKB den bisherigen Weltrekord für die Rate an Teilchenkollisionen brechen, und eine beispiellose Menge an Elektron-Positron-Kollisionsdaten produzieren. Diese Messdaten werden es der Belle II Kollaboration, bestehend aus rund 750 Wissenschaftlern aus über 100 Forschungseinrichtungen weltweit, ermöglichen neue Erkenntnisse über das Verhalten von Elementarteilchen zu gewinnen. Die Hauptziele der Kollaboration sind die präzise Vermessung von Naturkonstanten und die Suche nach sogenannter Neuer Physik. Damit wird zum einen das Verständnis von wichtigen Parametern des Standardmodells der Teilchenphysik verbessert, welches das Verhalten von Elementarteilchen beschreibt. Zum anderen erwarten sich die Wissenschaftler die Entdeckung bisher unbekannter physikalischer Phänomene.