Das zehn Meter hohe und breite, 1.400 Tonnen schwere Belle II-Experiment setzt sich aus sieben Detektorsystemen zusammen. Deren Aufgabe ist es, die in der Kollision von Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, entstehenden Teilchen und deren Zerfälle aufzuzeichnen, auszulesen und auszuwerten.
Dabei entstehen B-Mesonen, kurzlebige Paare aus Quarks mit jeweils einem (Anti-)Bottom-Quark. Ihre Zerfallszeit liegt bei etwa einem Trillionstel Sekunden. Die Wissenschaftler suchen nach Unterschieden in den Zerfallsmustern der B-Mesonen und ihrer Antiteilchen – ein möglicher Hinweis auf das Verschwinden der Antimaterie im Universum.
Strahlenschutz für den Vertex-Detektor
Für die Messungen ist es entscheidend, den Zerfallsort der B-Meson-Paare aus der Elektron-Positron-Vernichtung präzise zu bestimmen. Diese genaue Messungen der Zerfallsspuren übernimmt der Vertex-Detektor im Kernbereich des Belle-II-Experiments.
Mit BEAST wollen die Wissenschaftler verstehen, wie sich die Teilchenkollisionen auf den späteren Vertex-Detektor auswirken. „Wenn die Strahlungsbelastung zu hoch ist, könnte der Vertex-Detektor dauerhaft blind werden“, erklärt Hans-Günther Moser vom Max-Planck-Institut für Physik. „Der Teilchenstrahl des Beschleunigers muss daher so eingestellt werden, dass möglichst wenige radioaktive Untergrundteilchen auf die Pixel im Detektor treffen.“
Der Test-Detektor BEAST, der nach dem Märchen „Die Schöne und das Biest (La belle et la bête)“ benannt ist, enthält nur einen Teil aller Komponenten. Bei den Sensormodulen für die pixelgenaue Ortsbestimmung deckt BEAST nur etwa ein Zehntel des gesamten Raumwinkels (360 Grad) ab. „Trotz seines reduzierten Aufbaus liefert BEAST uns genügend Daten, um Detektor und Teilchenstrahl genau zu justieren“, erläutert Moser.
Erprobung von neuem Beam-Schema in SuperKEKB
Daneben sind in BEAST weitere Instrumente verbaut, die ausschließlich in der Testphase genutzt werden. Bevor sie in BEAST kollidieren, werden die Elektronen und Positronen vom modernisierten SuperKEKB-Beschleuniger auf Touren gebracht.
Allerdings läuft SuperKEKB noch zum Zeitpunkt der Tests mit BEAST noch nicht mit voller Auslastung, wie Moser ausführt: „Zunächst wird der Beschleuniger wie sein Vorläufer pro Sekunde 25 B-Anti-B-Mesonenpaare erzeugen, beim späteren Betrieb sollen es 40 mal so viele sein“.
Möglich wird dies durch eine sehr viel höhere Luminosität (Anzahl Kollisionen pro Sekunde und Fläche), für die der Beschleuniger mit neuen Technologien aufgerüstet wird. Diese Upgrades sind unter dem Begriff Nano-Beam-Schema zusammengefasst.
Ein kritischer Moment beim Einbau von BEAST war der Anschluss des Strahlrohrs an die Quadrupolmagnete im Beschleuniger. Diese fokussieren die Strahlen auf Nanometerquerschnitte. Hier kommt erstmals eine von DESY entwickelte vakuumdichte Verbindung zum Einsatz, die sich über einen ausgeklügelten Mechanismus von außen schließen und wieder öffnen lässt.
Die Tests mit BEAST werden bis Juli 2018 andauern. Die Wissenschaftler erhoffen sich möglichst viele Informationen, um das spätere Gespann aus SuperKEKB und Belle II erfolgreich zu betreiben. Der Einbau des Vertex-Detektors ist im Herbst 2018 geplant.
Aufbau des Vertex-Detektors
Der Belle II-Detektor besteht aus sieben verschiedenen Subdetektoren. Einer davon ist der Vertex-Detektor. Dieser wiederum unterteilt sich in den <link forschung/aufbau-der-materie/belle-ii-detektor/belle-ii-das-auge-fuer-antimaterie/ - external-link-new-window "Öffnet externen Link in neuem Fenster">ganz innen gelegenen Pixeldetektor</link>, bei dessen Entwicklung das Max-Planck-Institut für Physik federführend war. Dieser ist in der Lage, den exakten Zerfallsort der B-Mesonen zu bestimmen - diese zerfallen nach einer Flugstrecke von 0,1 Millimetern nach etwa 1 Trillionstel Sekunde.
Die nächste Lage bildet der Silicon Vertex Detector, mit dem sich die Flugbahnen geladener Teilchen rekonstruieren lassen, die beim Zerfall der B-Mesonen entstehen. Außerdem gibt dieses Instrument Auskunft, wie viel Energie die Teilchen auf ihrem Weg durch den Detektor verlieren - und damit auch, um welche Teilchen es sich handelt.
Komplett ist der Vertex-Detektor mit der Central Drift Chamber, mit der sich unter anderem die Spuren der geladenen Teilchen errechnen lassen.
Welche Erkenntnisse soll der Belle II-Detektor liefern?
Mit dem Belle II-Detektor gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Anderem der Frage nach, warum es im Universum zwar Materie, aber kaum Antimaterie gibt. Beim Urknall entstanden beide Materieformen zu gleichen Teilen.
Wenn Teilchen auf ihre Antiteilchen treffen, vernichten sie sich gegenseitig. Warum Materie das heutige Universum dominiert, lässt sich bisher nicht erklären. Das MPI für Physik ist eines von 12 deutschen und 106 internationalen Instituten aus 25 Ländern, die den Belle II-Detektor gemeinsam entwickeln, bauen und später die Daten auswerten.
Kontakt:
Dr. Hans-Günther Moser
Max-Planck-Institut für Physik
Projektleiter der Belle II-Gruppe am MPI für Physik
+49 89 32354-248