Belle II - FIS

Landschaft der
Forschungsinfrastrukturen
Belle II: Jenseits des Standardmodells
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BELLE II, STAND JUNI 2017
2
Belle II: Jenseits des Standardmodells
Auf zu neuen Horizonten: Physikerinnen und Physiker suchen nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Dafür bauen sie am neuen Teilchenbeschleuniger SuperKEKB des Forschungszentrums
KEK im japanischen Tsukuba einen leistungsfähigen Detektor der nächsten Generation – Belle II. Die Anlage wird
2018 ihren vollen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen und Milliarden von besonderen Teilchen erzeugen, sogenannte B-Mesonen. Um aus den Zerfällen dieser Teilchen aussagekräftige Schlüsse ziehen zu können, steuern
deutsche Forschungsgruppen eine zentrale Detektorkomponente bei. Dieser sogenannte Pixel-Vertex-Detektor ist
dabei den Zerfallsorten der B-Mesonen am nächsten und damit das Herzstück von Belle II.
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die derzeit
beste Beschreibung dafür, was unsere Welt im Innersten zusammenhält und woraus sie aufgebaut ist. Es
beschreibt nicht nur die Atome mit ihren Kernen aus
Protonen und Neutronen und den sie umgebenden
Elektronen, sondern einen ganzen Zoo aus Teilchen.
Einige davon sind extrem kurzlebig und zerfallen nach
ihrer Erzeugung sofort wieder in andere Teilchen.
Ebenso beschreibt das Standardmodell die Wechselwirkungen der Teilchen untereinander.
Der Erfolg des Standardmodells wurde 2012 durch den
Nachweis des letzten noch fehlenden Teilchens, des
Higgs-Teilchens, gekrönt. Es wurde schon vor circa 50
Jahren vorhergesagt, sein Nachweis aber wurde erst
durch den bislang größten Teilchenbeschleuniger, den
Large Hadron Collider (LHC), und die Experimente ATLAS und CMS am CERN in Genf möglich. Trotz dieses
großartigen Erfolgs gehen Physikerinnen und Physiker
aber davon aus, dass das Standardmodell noch nicht
der „Weisheit letzter Schluss“ ist, da es noch zahlreiche fundamentale Fragen offen lässt.
Mithilfe des Teilchendetektors Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK wollen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die
Suche nach Hinweisen auf neue Physik jenseits des Standardmodells der
Teilchenphysik begeben. Dafür untersuchen sie mit dem Teilchendetektor
die Zerfallsprodukte von B-Mesonen, die ihnen der Teilchenbeschleuniger
SuperKEKB bereitstellt. (Bild: KEK in Tsukuba/Japan)
Passt das Standardmodell zum Universum?
Eine der offenen Fragen ist beispielsweise das beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum. Laut Standardmodell sind jedes Teilchen und sein Antiteilchen bis auf ihre Ladung
völlig gleich und vernichten sich gegenseitig, wenn sie
aufeinandertreffen. Ihre Ladung ist genau entgegengesetzt. So ist beispielsweise das Elektron elektrisch negativ geladen, sein Antiteilchen, das Positron, hingegen positiv. Gemäß heutigem Verständnis müssen
beim Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Anteilen entstanden sein. Sie sollten sich daher während
der folgenden Abkühlungsphase des Universums gegenseitig nahezu komplett vernichtet haben. Stattdessen ist unsere Welt aus Materie aufgebaut, es herrscht
also ein ganz klarer Überschuss. Da ist die folgende
Frage naheliegend: Warum ist das so? Das Standardmodell kann darauf derzeit keine befriedigende Antwort liefern. Ein weiterer wichtiger Hinweis für die Unvollkommenheit des Standardmodells ist, dass die
von ihm beschriebene, uns vertraute Materie im Universum nur 5 Prozent des Gesamtinhalts ausmacht –
der Rest ist unbekannt.
Der Teilchenbeschleuniger SuperKEBK beschleunigt Elektronen und Positronen auf zwei gegenläufigen Umlaufbahnen über rund drei Kilometer und
bringt diese schließlich gezielt so zur Kollision, dass dabei besonders viele
B-Mesonen entstehen. Dabei produziert der SuperKEBK rund fünfzigmal
mehr B-Mesonen als sein Vorgänger, der Teilchenbeschleuniger KEKB.
(Bild: KEK in Tsukuba/Japan)
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BELLE II, STAND JUNI 2017
Wissenschaftler begeben sich mithilfe von Teilchenbeschleunigern und Detektoren auf die Suche nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells, indem
sie Teilchen auf hohe Energien beschleunigen und zur
Kollision bringen. Dadurch entstehen wiederum neue
Teilchen, die ihrerseits zerfallen und durch ihre Eigenschaften tiefe Einblicke in das Wesen der Materie erlauben. Während am LHC der Fokus auf höchsten Energien liegt, ist eine komplementäre Strategie der
Forschenden, möglichst viele Teilchenkollisionen zu
produzieren. Ein entsprechendes Projekt soll demnächst rund siebzig Kilometer nordöstlich von Tokio im
japanischen Tsukuba starten. Dort baut das Forschungszentrum KEK den Teilchenbeschleuniger KEKB
zum SuperKEKB aus, der mit seinem Detektor Belle II
gegen Ende 2018 den vollen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen soll.
Belle II und der Erfolg seines Vorgängers
Belle II ist ein internationales Projekt mit rund 700
Wissenschaftlern aus insgesamt 23 Ländern. Etwa
hundert davon kommen aus Deutschland; damit stellt
Deutschland nach Japan die zweitgrößte Gruppe von
Physikerinnen und Physikern an Belle II. Wie der Name
schon andeutet, gab es bereits ein Vorläuferexperiment namens Belle am Teilchenbeschleuniger KEKB,
das nach demselben Prinzip funktionierte. Auf zwei
gegenläufigen rund drei Kilometer langen, ringförmigen Umlaufbahnen werden Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, beschleunigt, um sie schließlich im Inneren des Detektors zur Kollision zu bringen.
Die Kollisionsenergie wird dabei so eingestellt, dass
Belle II ist das Nachfolgeexperiment von Belle, das bis 2010 hauptsächlich den Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie nachspürte. Der
Aufbau von Belle II ist annähernd zylinderförmig, mit einem Durchmesser von rund 7 Metern und einer Länge von 7,5 Metern. Das Experiment
besteht aus verschiedenen Detektorelementen, die schalenförmig um den
Kollisionspunkt aufgebaut sind. (Bild: KEK in Tsukuba/Japan)
3
besonders viele Teilchen einer bestimmten Sorte entstehen – die sogenannten B-Mesonen.
B-Mesonen sind Teilchen, die aus den elementarsten
Bausteinen der Atomkerne bestehen – den Quarks.
Anders als Protonen oder Neutronen, die aus leichten
Up- und Down-Quarks zusammengesetzt sind, enthalten B-Mesonen außerdem ein schweres BottomQuark. B-Mesonen zerfallen innerhalb kürzester Zeit
wieder in leichtere Teilchen wie beispielsweise Pionen, Elektronen oder Myonen. Indem Belle die Energien und Spuren dieser Teilchen vermaß, konnten die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Aufschlüsse über die Kollisionen und die zugrundeliegenden
physikalischen Prozesse gewinnen.
Insgesamt eine Milliarde B-Mesonen-Paare produzierte KEKB während seiner rund elfjährigen Laufzeit von
1999 bis 2010 und wurde deshalb auch als „B-Fabrik“
bezeichnet. Ein Hauptziel war, den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie zu untersuchen. Tat-
Nachdem die Experimente am Vorläuferexperiment Belle im Jahr 2010
abgeschlossen waren, begannen die Umbauarbeiten zum SuperKEKB
und der Neukonstruktion des neuen Teilchendetektors Belle II. Der volle
wissenschaftliche Betrieb soll voraussichtlich 2018 starten. Insgesamt
sind an Belle II rund 700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus
23 Ländern beteiligt, davon rund 100 aus Deutschland. (Bild: KEK)
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BELLE II, STAND JUNI 2017
sächlich konnten die Forschenden mit Belle einen solchen Unterschied in Zerfällen von B-Mesonen und
ihren Antiteilchen nachweisen, ganz in Übereinstimmung mit den Vorhersagen von Makoto Kobayashi und
Toshihide Maskawa, die dafür 2008 den Nobelpreis
erhielten. Der gemessene Unterschied reicht aber
nicht aus, um den deutlichen Überschuss an Materie
im heutigen Universum zu erklären.
Suche nach neuer Physik
Das neue Experiment Belle II wird nicht nur mit viel höherer Genauigkeit erforschen, wie sich die Naturgesetze von Materie und Antimaterie voneinander unterscheiden. Die Forschenden suchen auch nach
bestimmten B-Zerfällen, die nur extrem selten auftreten. Vermisst man solche seltenen Zerfälle präzise, so
kann man kleinste Abweichungen vom etablierten
Standardmodell erkunden und dadurch auf eine neue
Physik schließen. Besonders interessant sind Zerfälle,
in denen Teilchen entstehen, die man nur indirekt,
nämlich über ein Defizit in der Energiebilanz beobachten kann. Solche Zerfälle könnten ein Schlüssel zum
Verständnis der mysteriösen dunklen Materie im Universum sein. Aus kosmologischen Beobachtungen
wissen wir einerseits bereits, dass es viel mehr dunkle
als sichtbare Materie gibt. Andererseits wissen wir
nicht, woraus die dunkle Materie besteht und welche
Wechselwirkungen es zwischen dunkler und sichtbarer
Materie gibt. Belle II kann hierzu wichtige Hinweise
liefern.
Der Teilchendetektor Belle II besteht aus mehreren Detektorkomponenten, die schalenförmig um den Kollisionspunkt aufgebaut sind. Durch
seine Mitte führen die Strahlrohre, in denen Elektronen und Positronen
beschleunigt werden, um im Inneren des Detektors gekreuzt und gezielt
zur Kollision gebracht zu werden. Dabei entstehen B-Mesonen, die ihrerseits nach kürzester Zeit in andere Teilchen zerfallen. Indem der Detektor
die Spuren und die Energien dieser Zerfallsprodukte hochgenau vermisst,
kann Belle II Hinweise auf neue Teilchen und auf seltene Zerfallsprozesse
liefern. (Bild: Rey.Hori/KEK)
4
Auch der neue Beschleuniger SuperKEKB ist im Vergleich zum KEKB viel leistungsstärker. Er ist zwar im
selben Tunnel aufgebaut und verwendet auch einige
Komponenten seines Vorgängers, liefert aber vierzigmal mehr Kollisionen pro Sekunde, nämlich rund tausend Paare von B-Mesonen pro Sekunde. Während in
der B-Fabrik KEKB insgesamt rund eine Milliarde B-Meson-Paare entstanden, soll SuperKEKB während seiner
geplanten Laufzeit rund fünfzig Milliarden solcher Teilchen-Antiteilchen-Paare liefern.
Das bedeutet einerseits eine bessere Genauigkeit für
die Untersuchung seltener Zerfälle. Andererseits will
die hier entstehende Datenflut erst einmal bewältigt
werden. Die Energien und Spuren der entstehenden
Teilchen müssen mit dem Belle II-Detektor registriert
und hochgenau vermessen werden. Interessante Kollisionsereignisse müssen aus der großen Datenflut herausgefiltert werden – und das alles innerhalb von Sekundenbruchteilen. Zudem muss die innerste
Detektorschicht bei Belle II einer viel höheren Strahlungsbelastung standhalten als noch beim Vorläuferexperiment Belle.
Dies stellt ganz neue Herausforderungen an den Detektor, in dessen Inneren die Kollisionen stattfinden
und der das Geschehen möglichst umfassend und exakt aufzeichnen soll. Belle II ist im Wesentlichen zylinderförmig aufgebaut und besteht aus insgesamt sieben Detektorelementen, die verschiedene Aufgaben
Der Kollisionspunkt der Positronen und Elektronen liegt im Innersten des
Detektors. Dabei entstehen B-Mesonen, die ihrerseits weiter zerfallen.
Die innerste Schicht von Belle II ist der von deutschen Wissenschaftlern
gebaute getränkedosengroße Pixel-Vertex-Detektor (in Gelb), der die
Spuren von geladenen Teilchen wie Elektronen oder Myonen mithilfe von
Siliziumsensoren hochgenau erfassen kann. Um die Kollisionsereignisse
möglichst genau aufzuzeichnen, macht der Pixel-Vertex-Detektor bis zu
50 000 Aufnahmen pro Sekunde. (Bild: Rey.Hori/KEK)
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BELLE II, STAND JUNI 2017
5
der Teilchenvermessung übernehmen. Sein Herzstück
kommt dabei zum großen Teil aus Deutschland.
ten Ereignisse aus einem riesigen “Untergrund” uninteressanter Daten herauszufischen.
Die deutsche Beteiligung an Belle II
Die erwartete große Menge an aufgezeichneten Daten
stellt eine Herausforderung für die Speicherung und
Verarbeitung dar, die nur mehrere Rechenzentren gemeinsam bewältigen können. Rechenzentren in Karlsruhe, Hamburg und München leisten hier einen wesentlichen Beitrag. Im Rahmen der Verbundforschung
unterstützt das Bundesministerium für Bildung und
Forschung die beteiligten Universitätsgruppen. Insgesamt rund 9,6 Millionen Euro (Förderzeitraum 2012 bis
2018) fließen dabei nicht nur in den Bau des Pixel-Vertex-Detektors, sondern auch in die Entwicklung der für
Belle II benötigten Software. So sollen sich auch sehr
seltene Teilchenzerfälle nachweisen lassen – und die
Jagd nach neuer Physik kann mit Belle II ab 2018 beginnen.
Die innerste Schicht von Belle II stellt ein sogenannter
Pixel-Vertex-Detektor dar, der dem Kollisionspunkt der
Teilchen am nächsten ist und somit die höchsten Teilchendichten zu verzeichnen hat. Für dieses Herzstück
von Belle II war das deutsche Fachwissen in der Entwicklung von Halbleiterdetektoren eine ideale Basis.
Der Pixel-Vertex-Detektor verwendet Siliziumsensoren,
um nahe am Kollisionspunkt die Spuren der erzeugten
geladenen Teilchen präzise zu rekonstruieren. Der Zerfallsort der B-Mesonen, der „Vertex“, kann somit sehr
genau bestimmt werden. Der Detektor ist in der Lage,
50 000 solcher hochaufgelösten Bilder von Kollisionsereignissen pro Sekunde aufzunehmen. Die innovative
Transistor-Technologie (DePFET) für den nur getränkedosengroßen Pixeldetektor wurde in Deutschland entwickelt und der Pixel-Vertex-Detektor für Belle II in
Deutschland gebaut. Sie hat auch über die Teilchenphysik hinaus ein sehr hohes Anwendungspotenzial.
Deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
haben auch eine führende Rolle bei der Entwicklung
der Software zur Verarbeitung und Auswertung der aufgezeichneten Daten übernommen. Beispielsweise
wurden die Algorithmen zur Rekonstruktion der Teilchenbahnen, die beim Zerfall der B-Mesonen entstehen, größtenteils in Deutschland entwickelt. Durch
den Einsatz innovativer Technologien konnte außerdem die Effizienz beim Nachweis der B-Mesonen deutlich gesteigert werden. Deutsche Forschungsgruppen
entwickeln auch einen auf neuronalen Netzwerken basierenden Algorithmus, um die physikalisch relevan-
Der Pixel-Vertex-Detektor besteht aus zahlreichen dünnen rechteckigen
Pixeldetektormodulen, die auf der von deutschen Wissenschaftlern entwickelten DePFET-Technologie basieren. (Bild: MPG HLL/Laci Andricek)
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BELLE II, STAND JUNI 2017
Steckbrief Belle II
Typ:
Teilchendetektor
Technologie:
Multifunktions-Teilchendetektor zur Messung von Elektron-Positronen-Kollisionen mit
sieben Detektorelementen
Standort:
Tsukuba, Ibaraki-Präfektur, Japan
Betreiber:
Hochenergie-Beschleuniger-Forschungsorganisation KEK
Baukosten:
53 Oku Yen (rund 45 Millionen Euro), zur Hälfte von Japan, zur anderen Hälfte von den
Mitgliedsländern finanziert
Deutsche Finanzierung:
rund sechs Prozent der Betriebskosten, berechnet nach Anzahl der beteiligten promovierten Wissenschaftler/innen (Stand 2017)
Deutscher Beitrag:
Pixel-Detektor basierend auf DePFET-Technologie
Pixel-Detektor-Parameter:
Innenradius 14 Millimeter, Modul 9,0∙1,5 cm2, Pixelgröße 50∙50 Mikrometer
Außenradius 22 Millimeter, Modul 12,3∙1,5 cm2, Pixelgröße 50∙75 Mikrometer
800∙250 Pixel pro Modul
Ausmaße:
7 Meter Durchmesser, 7,5 Meter Länge (annähernd zylinderförmig)
Geplanter Nutzerbetrieb::
erste Datennahme mit komplettem Detektor voraussichtlich 2018
Geplante Messdauer:
voraussichtlich bis 2025
Teilchenbeschleuniger:
SuperKEKB mit 8∙1035 cm-2 s-1 instantaner Luminosität
(Teilchenbegegnungen pro Zeit und Fläche)
Erzeugte B-Mesonen:
ca. 1000 B-Mesonen pro Sekunde, insgesamt 50 Milliarden B-Mesonen-Paare
Vorgängerexperiment:
Belle am Teilchenbeschleuniger KEKB am Forschungszentrum KEK
Bestandteil folgender Roadmaps:
BMBF
Anzahl beteiligter deutscher Institute:
11
Beteiligte deutsche Wissenschaftler:
96 (Stand Februar 2017)
Beteiligte Länder:
23: Australien, China, Deutschland, Indien, Italien, Japan, Kanada, Korea, Malaysia,
Mexiko, Österreich, Polen, Russland, Saudi-Arabien, Slowenien, Spanien, Taiwan,
Tschechische Republik, Thailand, Türkei, Ukraine, USA, Vietnam
6
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BELLE II, STAND JUNI 2017
Impressum
Dieser Artikel ist Teil der Webseite „Landschaft der
Forschungsinfrastrukturen“ (www.fis-landschaft.de),
die der Projektträger DESY im Auftrag des Bundes­
ministeriums für Bildung und Forschung gestaltet und
umsetzt. Auf der Webseite werden Großforschungs­
anlagen der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung aus aller Welt vorgestellt, an denen sich
Deutschland derzeit wissenschaftlich und finanziell
beteiligt – vom Radioteleskop ALMA bis zum Röntgenlaser European XFEL.
Herausgeber:
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Abteilung Projektträger DESY
Notkestraße 85
22607 Hamburg
[email protected]
https://pt.desy.de
Stand:
Juni 2017
Redaktion:
Dr. Claudia Schneider
Design und Layout:
Britta von Heintze
Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte):
KEK; Britta von Heintze/Projektträger DESY
7