Vierzigmal mehr Kollisionen

  • 09. March 2016

Der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB in Japan ist in Betrieb.

Am Forschungszentrum KEK in Tsukuba, Japan, hat der neue Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB nach fünfjähriger Aufbauphase seinen Betrieb aufgenommen. Am 10. Februar kreisten erstmals Positronen im Beschleunigerring; gut zwei Wochen später – am 26. Februar – gelang es, Elektronen in umgekehrter Richtung für mehr als hundert Umläufe zu speichern. In Zukunft sollen Elektronen und Positronen etwa vierzigmal häufiger kollidieren als an bisherigen Anlagen (KEKB in Japan und PEP-II in den USA) und dabei kurzlebige B-Mesonen und ihre Antiteilchen erzeugen. „Zusammen mit dem Detektor Belle II ist das eine Super-B-Mesonenfabrik“, freut sich Sören Lange (Uni Gießen) als Sprecher der deutschen Sektion und Mitglied im Belle II Executive Board.

Die Schwerpunktenergie der Teilchenstrahlen ist bei SuperKEKB so gewählt, dass Paare von B-Mesonen und Anti-B-Mesonen entstehen, sobald ein Elektron mit einem Positron kollidiert. Die Hochenergiephysiker wollen damit präziser als bisher vermessen, wie sich die Zerfallseigenschaften der B-Mesonen und ihrer Antiteilchen unterscheiden. Diese Verletzung der CP-Symmetrie in der schwachen Wechselwirkung wurde im B-Mesonen-System bereits von BaBar, Belle und LHCb beobachtet. Belle II soll einen Schritt weiter gehen und u. a. nach CP-Verletzung jenseits des Standardmodells oder sogar CPT-Verletzung suchen. „Gegenüber dem Experiment LHCb am CERN haben wir den Vorteil, dass wir die Kinematik und die Quantenmechanik des Anfangszustands genau kennen“, sagt Sören Lange. So lassen sich in Zukunft mit Belle II auch Zerfälle vollständig rekonstruieren, bei denen Neutrinos auftreten, die der Detektor gar nicht nachweisen kann.

SuperKEKB: Die blauen Magnete (links) gehören zum Speicherring der Elektronen, die grünen (rechts) zum Speicherring der Positronen.

SuperKEKB: Die blauen Magnete (links) gehören zum Speicherring der Elektronen, die grünen (rechts) zum Speicherring der Positronen. (Quelle: KEK, Japan)

Eine internationale Kollaboration mit über 600 Physikern aus 23 Ländern baut den Detektorkomplex Belle II an SuperKEKB auf. Belle II ist ein Upgrade des Belle-Detektors: In einem Raum von etwa 500 Kubikmetern sind die Komponenten des Detektors und die Datenerfassung auf dem neuesten Stand der Technik. An der Entwicklung einer neuen Komponente, dem Silizium-Pixel-Detektor mit acht Millionen Pixeln und 50 kHz Auslesefrequenz, ist die deutsche Sektion von Belle II maßgeblich beteiligt. Dazu gehören Forschergruppen vom Max-Planck Institut für Physik (München), dem Halbleiterlabor der Max-Planck Gesellschaft (München), den Forschungszentren DESY (Hamburg) und KIT (Karlsruhe) und den Universitäten Bonn, Gießen, Göttingen, Heidelberg und Mainz sowie der LMU und TU in München. Zusammen mit den in Karlsruhe und München entwickelten Algorithmen, die die Spuren der Zerfallsprodukte rekonstruieren, erlaubt der Pixel-Detektor, die Position des Zerfallsvertex der B-Mesonen einen Faktor zwei genauer zu bestimmen als es mit Belle möglich war. Das wird den systematischen Fehler bei den Messungen zur CP-Verletzung reduzieren und so zu verlässlicheren Aussagen führen, ob Physik jenseits des Standardmodells gefunden wurde. Ziel des Upgrades ist außerdem, dass Belle II anstelle von 400 Kollisionen pro Sekunde wie sein Vorgängermodell etwa 30.000 Ereignisse verarbeiten kann. Dazu tragen auch die in der deutschen Sektion entwickelten Triggeralgorithmen bei, die in Echtzeit entscheiden, ob ein Ereignis zur späteren Analyse auf Band geschrieben wird.

Belle II wird in drei Abschnitten um den Interaktionspunkt des Elektronen- und Positronenstrahls aufgebaut. In der ersten Phase geht es darum, mit wenigen ausgewählten Detektorkomponenten – dem sog. BEAST-Detektor – den Untergrund am Interaktionspunkt zu verstehen. Anschließend wird Belle II montiert, allerdings ohne den neuen Silizium-Pixel-Detektor, um letzte Optimierungen an der Strahlführung vorzunehmen. Mit dem Einbau des Pixel-Detektors in der dritten Phase soll der Experimentierbetrieb starten. „Wir gehen sehr vorsichtig vor, um den Silizium-Pixel-Detektor vor zu hoher Strahlenbelastung zu schützen“, erklärt Sören Lange den aufwendigen Ablauf mit mehreren Umbauten. Er ist überzeugt, dass das wissenschaftliche Programm im Oktober 2018 starten kann und ebenso faszinierende Ergebnisse liefern wird wie die früheren B-Mesonenfabriken BaBar und Belle.

Kerstin Sonnabend

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