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Belle II: MPP beginnt Fertigung von Doppel-Siliziumchips für Pixeldetektor

Noch "wartet" der SuperKEKB-Beschleuniger in Japan auf die Ankunft "seines" Detektors: Belle II. In einigen Monaten soll der Detektor erstmals in den Beschleuniger-Ring eingepasst werden – erste Messungen sollen 2018 stattfinden. Die MPP-Projekte für Belle II laufen unterdessen erfolgreich weiter: Momentan werden die Silizium-Module für den zentralen Pixeldetektor verklebt. Diese Instrumente werden in Belle II den Zerfallsort von B-Mesonen genauestens bestimmen. Bereits vor einigen Wochen nahmen MPP-Wissenschaftler die Belle-II-Kühlanlage in Betrieb.

Zwei Detektormodule werden "Kopf an Kopf" aneinandergeklebt. (Foto: K.-H. Ackermann/MPP)

München ist in der Belle II-Kollaboration mit dem Max-Planck-Institut für Physik und dem Halbleiterlabor (HLL) der Max-Planck-Gesellschaft präsent. Sie sind Mitglieder im Forschungsverbund, der den Pixel-Detektor in Belle II entwickelt.

Konkret arbeiten beide Einrichtungen an dem Instrument, das sich in unmittelbarer Nähe zum Kollisionspunkt befindet: Dem zweilagigen hochauflösenden Pixel-Detektor, mit dem sich Spuren geladener Teilchen, die bei den Elektron-Positron-Kollisionen in SuperKEKB entstehen, auf einige tausendstel Millimeter rekonstruieren lassen. So können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Zerfallswege von  B-Mesonen genau analysieren. Das Experiment soll klären, warum Antimaterie weitgehend aus dem Universum verschwunden ist.

Kleinteilige Klebearbeit

Aktuell werden am MPP die im Halbleiterlabor gefertigten Siliziumdetektoren zu längeren Einheiten verklebt. Zwei Module werden jeweils an der Schmalseite aneinandergefügt – eine wahre Fitzelarbeit, da die Auflagefläche nur einen halben Millimeter beträgt. "Da die verklebten Komponenten sehr fragil sind, verstärken wir sie zusätzlich mit Keramikstiften, die in Nuten im Silizium gelegt werden", erklärt Hans-Günther Moser, Projektleiter am MPP.

Der Pixel-Detektor ist aus 20 Doppel-Siliziummodulen aufgebaut. "Bei diesem Experiment zählt vor allem die Präzision, mit der sich die Teilchenspuren nachverfolgen lassen", erläutert Moser. "Dabei gilt: Je weniger Material, umso weniger werden die Teilchen gestreut." Daher sind die Detektoren im sensitiven Bereich nur etwa 75 Mikrometer dick, das entspricht der Stärke eines menschlichen Haares. Diese Strategie zahlt sich aus: Mit nur 0,21 Prozent Strahlungslänge haben die Münchner Forscher den weltweit dünnsten Siliziumdetektor gebaut.

Bei den aktuell gefertigten Einzelstücken handelt es sich um Prototypen. Die Serienproduktion für etwa 80 Module wird im Mai beginnen.

Neben dem Pixeldetektor hat das MPP eine spezielle Kohlendioxid (CO2-) Kühlanlage für Belle II entwickelt. Diese hat die Aufgabe die Elektronik des Pixeldetektors zu kühlen. Flüssiges CO2 ist ein hocheffizientes Kühlmittel mit dem sich sehr kompakte Kühlkreisläufe realisieren lassen, ideal für den Belle II Pixel-Detektor. Diese Kältemaschine wurde vor wenigen Wochen am Experiment installiert.