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Belle II: Das Auge für die Antimaterie

Nicht größer als eine Getränkedose, zeichnet der Pixel-Vertex-Detektor exakt auf, wo die B-Mesonen und ihre Antiteilchen zerfallen.
Nicht größer als eine Getränkedose, zeichnet der Pixel-Vertex-Detektor exakt auf, wo die B-Mesonen und ihre Antiteilchen zerfallen. (Grafik: MPP)

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

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

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

Haarfeine Sensoren für hochpräzise Messungen

Eines der 40 Sensormodule, die im Pixel-Vertex-Detektor verbaut werden.
Eines der 40 Sensormodule, die im Pixel-Vertex-Detektor verbaut werden. (Foto: L. Andricek/HLL)

Um diese Ziele zu erreichen, arbeiten 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 hat der Detektor 8 Millionen Pixel und erzeugt 50.000 Bilder pro Sekunde. Damit ähnelt 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 ist und eine weit höhere Bildfrequenz erlaubt.

Da beim DEPFET für ein ausreichend großes Signal nur wenig Silizium nötig ist, lässt 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, entfallen weitere elektronische Komponenten – und damit zusätzliches Material. Dank der DEPFET-Technologie ist der Sensor bei aller Komplexität extrem dünn und leicht: So lässt sich verhindern, dass die Messung der Teilchenspuren durch das Sensormaterial verfälscht wird.

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 wird von elf deutschen Forschungsinstituten gebaut. Außer dem im Innersten gelegenen Spurdetektor arbeiten in Belle II fünf weitere Subsysteme, die den Verlauf, die Energie, die Ladung und den Impuls der Teilchenspuren aufzeichnen. Aus diesen Informationen lässt sich rekonstruieren, welche Teilchen beim Zusammenprall von Materie und Antimaterie – Elektronen und Positronen – entstehen – und wie sie zerfallen. Letztendlich sollen diese Daten Aufschluss bringen, warum es im Universum Materie, aber keine Antimaterie gibt.