Belle II: Das Auge für die Antimaterie

Um das Potenzial des neuen SuperKEKB-Beschleunigers auszunutzen, musste der existierende Belle-Detektor verbessert werden. Im Vergleich zu seinem Vorgänger hatte SuperKEKB eine wesentlich höhere Luminosität, das heißt, es trafen mehr Teilchen pro Sekunde aufeinander. Damit stiegen auch die Strahlenbelastung, die Anzahl der Untergrundereignisse und Datenmenge, die der Detektor verarbeiten musste.

Für den neuen Detektor Belle II wurden viele Komponenten durch neue, verbesserte ersetzt. Dies gilt insbesondere für die zentral gelegenen Spurdetektoren. Diese rekonstruierten die Spuren geladener Teilchen, die aus Zerfällen von B-Mesonen stammten. So konnten die jeweiligen Impulse und der Zerfallsort (Vertex) gemessen werden. Die B-Mesonen zerfielen nach einer mittleren Flugstrecke von nur 0,1 Millimetern innerhalb des Strahlrohrs. Um diesen Ort präzise zu bestimmen, mussten die außerhalb des Strahlrohres registrierten Spuren zurückverfolgt werden.

Dafür arbeiteten in Belle II 40 Silizium-Pixelsensoren, die in zwei Lagen zylindrisch um das Strahlrohr angeordnet waren (1,4 und 2,2 Zentimeter vom Strahl entfernt). Der gesamte Pixel-Vertex-Detektor war so groß wie eine Getränkedose. Da die Teilchen beim Durchgang durch Materie gestreut wurden, mussten diese Detektoren sehr dünn sein. Zudem war die Spurdichte in dieser Region durch Untergrundereignisse ausgesprochen hoch: In einer Sekunde registrierten wir eine Million Teilchen pro Quadratzentimeter. Das heißt, der Detektor war permanent mit nicht relevanten Ereignissen beschäftigt. Um den Detektor schnell wieder "frei" zu machen, brauchte man möglichst viele, kleine Pixel, die sich extrem schnell auslesen ließen.

Haarfeine Sensoren für hochpräzise Messungen

Um diese Ziele zu erreichen, arbeiteten die Forscher bei Belle II mit einem besonderen Pixelsensor. Er basiert auf der so genannten DEPFET-Technologie (siehe unten).

DEPFET-Detektoren sind sehr empfindlich und schnell: Um ein Teilchen nachzuweisen, genügen etwa 100 Nanosekunden. Die Pixelgröße liegt bei ungefähr 50 mal 75 Mikrometer. Insgesamt hatte der Detektor 8 Millionen Pixel und erzeugte 50.000 Bilder pro Sekunde. Damit ähnelte der Detektor CMOS-Sensoren, wie sie in modernen Digitalkameras zum Einsatz kommen: allerdings mit dem Unterschied, dass er nicht für Licht, sondern für ionisierende Teilchen empfindlich war und eine weit höhere Bildfrequenz erlaubte.

Da beim DEPFET für ein ausreichend großes Signal nur wenig Silizium nötig ist, ließ sich die Stärke des Sensors auf 75 Mikrometer reduzieren – also buchstäblich auf Haaresbreite. Klassische Siliziumsensoren sind etwa 300 Mikrometer dick. Da die DEPFET-Pixel das primäre Signal selbst verstärken, entfielen weitere elektronische Komponenten – und damit zusätzliches Material. Dank der DEPFET-Technologie war der Sensor bei aller Komplexität extrem dünn und leicht: So ließ sich verhindern, dass die Messung der Teilchenspuren durch das Sensormaterial verfälscht wurde.
 

Grundlagen der DEPFET-Technologie

Die DEPFET-Technologie wurde am MPP und dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft erfunden und zur Serienreife entwickelt: DEPFET steht für Depleted p-Channel Field Effect Transistor. In jedem Pixel befindet sich ein p-Kanal-Feldeffekt-Transistor. Zusätzlich zu dem normalen Transistor-Gate hat der DEPFET noch ein so genanntes internes Gate. Dies ist eine besondere Region unterhalb des Transistorkanals, in dem sich alle durch Ionisation im Silizium erzeugten Ladungen sammeln. Wird ein DEPFET-Pixel von einem geladenen Teilchen getroffen, entstehen durch Ionisation Elektronen, die in das interne Gate wandern. Die angesammelte Ladung verändert den Transistorstrom. Dieses Signal wird gemessen – und zeigt an, welches Pixel getroffen wurde.

Seit 2008 arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am MPP und anderen Forschungsstätten an dem Spurdetektor. Um vom DEPFET-Prinzip zu einem brauchbaren Detektor zu kommen, war eine gewaltige Entwicklungsarbeit erforderlich: Die Detektormodule mussten so konzipiert werden, dass sie trotz des dünnen Materials ausreichend stabil sind. Die Konstrukteure entwickelten dafür eine mechanische Halterung, die den Detektor kühlt und ohne zusätzliches Material auskommt.

Eine weitere Besonderheit des DEPFET-Sensors ist, ihn für wenige 100 Nanosekunden blind schalten zu können. Ähnlich dem elektronischen Verschluss einer Kamera verhindert diese Eigenschaft, dass der Sensor bei hoher Signaldichte saturiert oder "geblendet" wird. Dies ist bei besonderen Betriebsmodi des SuperKEKB-Beschleunigers der Fall, bei dem extrem viel Untergrund erzeugt wird.

Dank der DEPFET-Technologie wird Belle II mit einem der modernsten, schnellsten und vor allem dünnsten Vertex-Detektoren ausgestattet, die je für die Teilchenphysik entwickelt wurden.

Subdetektoren in Belle II

Der Pixel-Vertex-Detektor wurde von elf deutschen Forschungsinstituten gebaut. Außer dem im Innersten gelegenen Spurdetektor arbeiteten in Belle II fünf weitere Subsysteme, die den Verlauf, die Energie, die Ladung und den Impuls der Teilchenspuren aufzeichneten. Aus diesen Informationen ließ sich rekonstruieren, welche Teilchen beim Zusammenprall von Materie und Antimaterie – Elektronen und Positronen – entstanden – und wie sie zerfallen sind. Letztendlich sollten diese Daten Aufschluss bringen, warum es im Universum Materie, aber keine Antimaterie gibt.