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Ein Beschleuniger meldet sich zurück – erste Teilchenrunden im SuperKEKB

Erstes Lebenszeichen vom Teilchenbeschleuniger SuperKEKB: Seit kurzem drehen Elektronen und Positronen in der modernisierten Anlage am japanischen Forschungszentrum KEK ihre Runden. Auf Kollisionskurs werden die Elektron- und Positron-Strahlen voraussichtlich im Jahr 2017 gehen. Das Studium der dabei produzierten Teilchen und ihrer Zerfälle soll Antwort auf die Frage geben, warum im Universum Materie, aber kaum mehr Antimaterie anzutreffen ist. Ausgewertet werden die Zerfälle mit Belle II – einem Detektor, an dessen Entwicklung das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) maßgeblich beteiligt ist.

Der Belle II-Detektor: präzise Vermessung von Elektron-Positron-Kollisionen (Foto: Belle-Collaboration)

„Gesehen“ hat die ersten kreisenden Positronen ein am MPP entwickelter Test-Detektor. Mit der erfolgreichen Speicherung der Strahlen in beiden Beschleunigerringen steht das ambitionierte Forschungsprogramm allerdings noch am Anfang – erst in zwei Jahren können die ersten Messungen stattfinden. Dafür wird der Beschleuniger, vorher KEKB genannt, seit fünf Jahren zu SuperKEKB hochgerüstet. Mit den Neuerungen lässt sich eine vielfach höhere Kollisionsrate im Vergleich zum Vorgängermodell erzielen.

Aus Belle wird Belle II

Mehr Kollisionen bedeuten jedoch auch mehr Teilchenzerfälle die ausgewertet werden müssen. Experten gehen davon aus, dass künftig 50 Mal mehr Daten als bisher anfallen. Parallel zum Beschleuniger verbessern Wissenschaftler und Ingenieure daher auch das Messinstrument. Aus Belle wird Belle II: Ein Detektor, der die Ereignisse am Kollisionspunkt genau aufzeichnet und vermisst – also dort, wo neue, für die Antimateriefrage interessante Teilchen entstehen. (1).

Das Hauptinteresse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler richtet sich auf die so genannten B-Mesonen: Dabei handelt es sich um Zweierpacks aus jeweils einem schweren b-Quark und einem leichten Antiquark. Die erwarteten minimalen Unterschiede in den Zerfällen der B-Mesonen und ihrer Antiteilchen könnten den Materieüberschuss im Universum erklären.

"Da die B-Mesonen sehr kurzlebig sind, können wir sie nur indirekt nachweisen, indem wir ihre Zerfallsprodukte nachverfolgen", erklärt MPP-Wissenschaftler Christian Kiesling. "Mithilfe unseres neuartigen Pixel-Vertexdetektors lässt sich der Entstehungsort der Teilchenspuren trotz des hohen Untergrundes präzise rekonstruieren."

Vor der Schönen kommt das Biest

Bevor Belle II, die hochempfindliche "Schöne", in SuperKEKB eingebaut wird, werden die Wissenschaftler die Kollisionen zunächst an einem Test-Detektor beobachten. Dieser trägt in Anlehnung an die berühmte Erzählung den Namen "Beast" (Beam Exorcism for a Stable Experiment) (2).

"Weil mit SuperKEKB die Häufigkeit der Untergrundereignisse stark zunimmt, werden wir ziemliche Mühe haben, die wertvollen Physik-Daten herauszufiltern", so Kiesling. "Der Beast-Detektor wird uns helfen, den Beschleuniger und die Messinstrumente optimal aufeinander einzustellen – auch um später Schäden an unserem neuen Vertexdetektor zu vermeiden.“

(1) An der Entwicklung des Belle-II-Detektors sind etwa 600 Wissenschaftler aus 23 Ländern beteiligt.
(2) Die "Schöne und das Biest", Volksmärchen aus Frankreich (Original: La belle et la bête)