Das Kooperationsprojekt Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK unterstützt Forscher aus aller Welt bei der Suche nach neuen Phänomenen in der Teilchenphysik. Das internationale Experiment hat nun einen wichtigen Meilenstein erreicht, nachdem ein Team erfolgreich einen neuen Pixeldetektor an seinem endgültigen Standort in Japan installiert hat.
Der Detektor hat die Größe einer Getränkedose und wurde entwickelt, um die Signale zu erkennen, die von bestimmten Arten von Teilchenzerfällen ausgehen und Aufschluss über den Ursprung der im Universum beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie geben können. Die Installation verlief reibungslos und ist ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung des Experiments und der deutsch-japanischen Forschungskooperation.
Belle II ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt mit Sitz am SuperKEKB-Beschleuniger im japanischen KEK-Forschungszentrum, an dem Forscher aus der ganzen Welt beteiligt sind. Ziel des Experiments ist es, Antworten auf die vielen ungelösten Fragen rund um das Universum zu finden. Zu diesem Zweck suchen die rund 1.200 Mitglieder der internationalen Belle-II-Kollaboration nach Anzeichen für neue Phänomene in der Physik und unbekannte Teilchen, die nicht vom etablierten Standardmodell der Teilchenphysik abgedeckt werden.
Mit der Installation endet auch für den Detektor eine lange Reise. Von München aus reisten seine Komponenten über mehrere deutsche Institute, darunter die Universität Bonn, quer durch das Land, bevor sie schließlich in Hamburg am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) landeten, wo sie zusammengebaut wurden. Der letzte Schritt war eine mehrere tausend Kilometer lange Reise nach Osten nach Japan und zu Belles II-Endziel, dem Elektron-Positron-Kollider SuperKEKB.
Die Flugreise brachte ganz neue Herausforderungen mit sich: Plötzliche Turbulenzen oder unsachgemäße Handhabung während des Transports hätten leicht zu einem Defekt eines der hochempfindlichen Sensoren führen können. Deshalb schützte ein speziell für diesen Anlass angefertigtes Gehäuse den Detektor, um Vibrationen zu minimieren, und erhielt einen eigenen Sitz in der Business Class.
Mitglieder der Universität Bonn waren maßgeblich an der Installation des Detektors in Japan beteiligt. „Die Installation des Pixeldetektors verlief äußerst zufriedenstellend und ohne nennenswerte Schwierigkeiten“, sagt Botho Paschen, Technischer Koordinator des Pixeldetektor-Projekts und Forscher an der Universität Bonn. Er führte den Erfolg auf die harte Arbeit und das Engagement eines außergewöhnlichen Teams zurück, das jahrelang den Detektor entwickelt und für die Installation vorbereitet hat.
Der Prozess erwies sich insbesondere aufgrund der sehr engen Platzverhältnisse als äußerst anspruchsvoll. Paschen: „Der nächste wichtige Schritt ist die Inbetriebnahme des Detektors, damit wir Anfang 2024 mit der Aufzeichnung neuer Kollisionsdaten beginnen können.“
Prof. Dr. Florian Bernlochner, Gruppenleiter Belle II an der Universität Bonn, betonte die Bedeutung des neuen Detektors für die physikalischen Ziele des Experiments. „Der Pixeldetektor ist das Schlüsselinstrument, um die Lebensdauer schwerer Quarks genau zu messen. Diese Messungen werden es uns ermöglichen, die Verletzung einer der grundlegendsten Symmetrien in der Natur – der Ladungsparitätssymmetrie – detaillierter zu untersuchen.“
Die Verletzung dieser Symmetrie ist eine von drei Voraussetzungen, die erfüllt sein müssen, um zu erklären, warum das Universum derzeit fast ausschließlich aus Materie besteht. „Belle II wird uns ein noch genaueres Verständnis darüber ermöglichen, warum sich Materie und Antimaterie unterschiedlich verhalten und ob noch unentdeckte Teilchen oder Kräfte beim Zerfall schwerer Quarks eine Rolle spielen“, fügt Bernlochner hinzu.
Die Zerfallsprodukte schwerer Quarks besitzen relativ wenig Energie und werden beim Durchgang durch das Detektormaterial leicht gestört. Dies bedeutete, dass die Detektorelemente, die dem Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen auf der Belle II am nächsten liegen, so leicht wie möglich sein müssen, was den Pixeldetektor äußerst zerbrechlich und seine Installation äußerst anspruchsvoll macht. Der Detektor besteht aus 20 Siliziumstreifen mit einer Dicke von 75 Mikrometern, so breit wie ein menschliches Haar.
Die ultradünnen DEPFET-Sensoren (DEPleted Field Effect Transistor) wurden im Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt. Die Streifen sind in zwei konzentrischen zylindrischen Schichten angeordnet, von denen die innerste nur 1,4 cm von der Strahllinie entfernt ist. Nach der erfolgreichen Installation, so das Team, sei Belle II nun mit dem dünnsten Pixeldetektor der Welt ausgestattet.
Der innovative Detektor soll bis zu 50.000 hochauflösende Bilder pro Sekunde der zerfallenden schweren Quarks liefern, die am SuperKEKB in Hülle und Fülle produziert werden. Die DEPFET-Sensortechnologie des Pixeldetektors kann auch für eine Reihe anderer Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise für Röntgensatellitenmissionen, die Suche nach sterilen Neutrinos oder dunkler Materie sowie für die medizinische Bildgebung.
Forscher, die die Struktur von Materie auf kleinsten Längenskalen vermessen, benötigen immer leistungsfähigere Detektoren. Das Forschungs- und Technologiezentrum für Detektorphysik (FTD) der Universität Bonn bietet ihnen dafür die perfekte Umgebung mit modernster Infrastruktur.
Das FTD beherbergt auch das Silicon Lab (SILAB) der Universität Bonn, wo über einen Zeitraum von mehreren Jahren die Module für den Pixeldetektor ausgiebig getestet und seine Fähigkeiten eingehend untersucht wurden. „Die erfolgreiche Installation des Detektors ist das Ergebnis einer langjährigen, fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Institutionen und Forschungszentren“, sagt FTD-Co-Sprecher und SILAB-Direktor Prof. Dr. Jochen Dingfelder, der über viele Jahre hinweg maßgeblich an der Entwicklung des Pixeldetektors beteiligt war Jahre zusammen mit Prof. Dr. Norbert Wermes.
„Ich freue mich zu sehen, wie unsere gemeinsamen Anstrengungen zu solch einer bahnbrechenden Leistung geführt haben.“ Das Team der Universität Bonn möchte allen Beteiligten aus Japan, Europa und Deutschland für ihre harte Arbeit und ihr Engagement danken.